Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

АНОТАЦІЯ

Пояснювальна записка займає 73 сторінки машинописного тексту. В ній

використано 8 таблиць, 13 рисунків і 38 формул, 3 демонстраційних листів,

11 джерел науково технічної літератури, 3 додатки.

Метою роботи є — дослідження методики для пошуку волоконних світ-

ловодів з від’ємною дисперсією, що використовуються в якості компенсато-

рів дисперсії.

Мета розробки — відбір волоконних світловодів з від’ємною дисперсією

для використання в компенсаторах дисперсії, розрахунок основних характе-

ристик компенсаторів при використанні вибраних волокон.

Область застосування — модернізації ліній зв’язку побудованих на ста-

ндартному одномодовому волокні (рекомендації G.652), при проектуванні

ліній зв’язку.

Ключові слова: дисперсія, волоконний світловод, компенсація дисперсії,

компенсатори дисперсії, волокна з від’ємною дисперсією, волоконні Бре-

говські решітки.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

ANNOTATION

Explanatory note takes 73 pages of typewritten text. It used 8 tables and

figures 13 formula 38 show letters 11 sources of scientific technical literature, 3

applications.

The aim is — the study of methods to search for optical fibers with negative

dispersion used as dispersion compensators.

The purpose of development — selecting optical fibers with negative

dispersion compensators for use in dispersion compensators calculation of the

main features using selected fibers.

Scope — modernization of lines built on standard single mode fiber

(recommendation G.652), the design lines.

Keywords: dispersion, optic fiber, dispersion compensation, dispersion

compensators, fibers with negative dispersion fiber Bragg grating.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

4

ЗМІСТ

Перелік скорочень ............................................................................................... 6

Вступ .................................................................................................................... 7

1 Передача оптичних сигналІв волоконними світловодами ........................ 11

1.1 Взаємодія світла з речовиною ............................................................... 12

1.2 Волоконні світловоди та їх принцип дії. .............................................. 15

1.3 Типи хвиль, що розповсюджуються в волоконних світловодах. ...... 21

1.4 Волоконні світловоди ............................................................................. 22

2 Дисперсія в волоконних світловодах ........................................................... 27

2.1 Дисперсія ................................................................................................. 27

2.2 Дисперсія в одномодових волоконних світловодах. ........................... 28

2.3 Смуга пропускання. ................................................................................ 29

2.4 Довжина регенераційної ділянки за часовими характеристиками. ... 31

3 Матеріали для виготовлення волоконних світловодів............................... 32

4 Компенсатори дисперсії на волоконних світловодах з від’ємною

дисперсією ................................................................................................................. 42

4.1 Принципи модернізації оптичного тракту ВОСП з використанням

компенсаторів дисперсії на ВКД. ........................................................................ 43

4.2 Представлення результатів розрахунків ............................................... 46

5 Волоконні бреговські ґратки в якості компенсаторів дисперсії ............... 56

5.1 Принцип роботи ...................................................................................... 56

6 Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях ................................ 60

6.1 Визначення небезпечних та шкідливих виробничих чинників ........ 60

6.1.1 Електробезпека в робочому приміщенні. ...................................... 60

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

5

6.2 Робота з візуальними дисплейними терміналамиПЕОМ ................... 63

6.2.1 Електромагнітні випромінювання радіочастотного діапазону ... 64

6.2.2 Виробничий шум ............................................................................. 64

6.2.3 Додаткові заходи щодо поліпшення умов праці .......................... 65

6.3 Пожежна безпека .................................................................................... 68

Висновки ............................................................................................................ 71

Перелік посилань .............................................................................................. 72

ДОДАТОК А ..................................................................................................... 73

ДОДАТОК Б ...................................................................................................... 79

ДОДАТОК В ...................................................................................................... 80

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

6

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

DSF − dispersion shifted single mode fiber

DWDM − Dense Wavelength Division Multiplexing

NZDSF – non-zero dispersion shifted single mode fiber

SDH − Synchronous Digital Hierarchy

TDM − Time Division Multiplexing

WDM − wavelength-division multiplexing

ВОСП − волоконно-оптичні системи передачі

ВКД – ВС для компенсації дисперсії

ВС – волоконний світловод

ДВҐ − дискретна волоконна ґратка;

ОМ ВС − одномодовий волоконний світловод

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

7

ВСТУП

Сучасні мережі зв’язку і в першу чергу транскотинентальні мережі в

основному перейшли на використання волоконно-оптичних систем передачі

(ВОСП). Такий перехід обумовлений потребою передачі великих обʻємів

інформації, здешевлення побудови та експлуатації систем передачі. В цьому

сенсі ВОСП є найпридатнішими, оскільки переважають інші кабельні мережі за

показниками інформаційної ємності, надійності, захищеності від зовнішніх

впливів, ціною. Тому вже сьогодні в технічній літературі, двадцять перше

сторіччя в розвитку зв’язку називають сторіччям оптичного зв’язку.

Як відомо, обсяг знань в період науково-технічного прогресу, об’єм

інформації та, відповідно, послуг по її опрацюванні зростають в геометричній

прогресії з плином часу. Це, зазвичай, тягне за собою збільшення об’єму

інформації, яку потрібно передавати. Все навантаження по збільшенню

інформаційного обміну лягає на галузі зв’язку такі, як поштовий зв’язок, та

різні види електрозв’язку. При цьому більша частина цього навантаження лягає

на мережі передачі загального користування, що обумовлено постійним

підвищенням використання електронно-обчислювальної техніки в усіх галузях

народно-господарчого комплексу усіх країн.

Передбачається, що в наступні п’ять років розвиток існуючих і

впровадження нових послуг зв’язку істотно підвищить навантаження на мережі

зв’язку. Найбільшу роль в цьому будуть відігравати відносно нові послуги, що

швидко розвиваються, такі, як мобільна телефонія, швидкісна передача даних,

передача телевізійних зображень та інші. Таким чином передбачається

підвищення вимог до інформаційної ємності мереж зв’язку та їх надійності в

яких очікується зростання потоків інформації від кількох сотень Гбіт/с до п’яти

Тбіт/с (1 Гбіт/с= 910 біт/с, 1 Тбіт/с= 310 Гбіт/с).

З такими об’ємами інформації навіть звичайним ВОСП буде важко

впоратися без додаткових витрат (наприклад, рівні SDH зараз мають швидкість

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

8

передачі 40 Гбіт/с). Таким чином, ситуація, що склалася, потребує довести

інформаційну ємність ВОСП до її меж, які в теорії можуть забезпечити

достатню інформаційну ємність мереж на багато років вперед.

В останній час з’явились технології передачі оптичних сигналів, що

дозволяють зробити такий стрибок. Серед них найвідомішими є WDM –

технологія спектрального ущільнення смуг пропускання ОМВС та

мультиплексування переданого групового оптичного сигналу, TDM –

технологія, що дозволяє зробити значне часове ущільнення сигналу і ввести

його до ВС та дозволяє мультиплексувати переданий оптичний груповий

сигнал, DWDM – гілка WDM, що дозволяє робити щільне хвильове

мультиплексування оптичного сигналу у вікні прозорості 1530…1560 нм, з

дуже малими відстанями між мультиплексними каналами (0,8-0,4 нм), що

підвищує коефіцієнт використання смуги пропускання. Вони дозволяють, при

їх оптимізації, довести інформаційну ємність мереж зв’язку до її меж.

Поява цих технологій підвищила вимоги до оптичних параметрів ВС, що

застосовується для передачі оптичного сигналу. Найвагомішим параметром при

збільшенні швидкості передачі являється хроматична дисперсія (надалі

дисперсія, так як ми будемо розглядати лише ВС, що працюють в

одномодовому режимі).

Стандартний ОМ ВС (рекомендація G.652) не відповідає потребам цих

технологій. Його згасання у вікні прозорості 1,3 мкм (де дисперсія має точку

нульового значення) складає 1 дБ/км, що є завеликим значенням в порівнянні

з вікном прозорості 1,55 мкм в якому загасання складає 0,23 дБ/км [1], але в

цьому вікні прозорості дисперсія складає 19 пс/(нм*км). Все це призводить до

зменшення довжини регенераційних ділянок, що обумовлює підвищення

вартості і зменшення надійності ВОСП при використанні наведених вище

технологій.

В першу чергу ці труднощі призвели до розробки ВС зі зміщеною

дисперсією, що мають точку нульової дисперсії у вікні прозорості 1,55 мкм та

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

9

волокон зі сплощеною дисперсією, що мають дві точки нульової дисперсії в

вікнах прозорості 1,3 та 1,55 мкм зі складними профілями показника

заломлення осердя. Таким чином ці ВС мають низьку дисперсію в потрібній

спектральній смузі і дають можливість застосовувати згадані технології. Слід

зауважити, що такі ВС мають високу вартість.

Вище наведені спеціальні ВС слід використовувати при будівництві нових

ділянок оптичних мереж. Модернізацію вже побудованих ділянок, які на 80%

складаються з стандартних ВС, доцільно проводити з використанням методів

компенсації дисперсії.

Серед методів компенсації дисперсії в даний час перспективними є два

методи:

метод компенсації дисперсії за допомогою використання вставок ВС з

дисперсією протилежною за знаком до дисперсії основного ВС;

компенсація дисперсії за допомогою спеціальних пристроїв, що вводяться

в лінійний тракт.

Перший метод заснований на компенсації дисперсії, що виникає при

суперпозиції протилежних за знаком дисперсій основного ВС і ВС-вставки.

Загальна дисперсія на регенераційній дільниці в такому разі зменшується.

Описаним методом можливо отримати компенсацію дисперсії в будь-

якому вікні прозорості де існують ВС-вставки з потрібною характеристикою.

Диспер-сійні характеристики отримані внаслідок компенсації дисперсії даним

методом мало залежать від параметрів зовнішнього середовища, але цим

методом дуже складно добитися потрібної дисперсійної характеристики тому,

що це потребує дуже чіткого добору дисперсійних характеристик

компенсуючого ВС-вставки в широкому діапазоні довжин хвиль, що є

практично неможливим.

Другий метод компенсації дисперсії заснований на спеціальних пристроях,

які зазвичай представляють собою циркулятор, в одній гілці якого розташовано

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

10

відрізок ВС, в осерді якого створені штучні неоднорідності. Такий відрізок ВС

називається волоконною ґраткою.

Неоднорідності створені в осерді ВС мають властивість відбивати

електромагнітні хвилі з певними довжинами хвиль, яка залежить від параметрів

неоднорідності. Це явище і покладено в основу принципу дії такого

компенсатора дисперсії. Якщо період неоднорідності волоконної ґратки

поступово змінювати, то різні довжини хвиль будуть відбиватися з різних

точок вздовж довжини волоконної ґратки. Оптичний імпульс який пройде цей

пристрій буде розширюватись за рахунок дисперсії самого пристрою. Таким

чином добираючи дисперсійну характеристику самого пристрою можна

компенсувати дисперсію, яка виникає при проходженні оптичного імпульсу

через ВС. Така характеристика може бути підібрана дуже точно, що дозволяє

отримувати потрібні дисперсійні характеристики оптичного тракту.

Але, як можна побачити з описаних конструктивних характеристик

волоконної ґратки, вона має певний недолік пов’язаний з її чутливістю до

параметрів зовнішнього середовища (температура, повздовжні механічні

напруги), що потребує певної стабілізації при роботі пристрою.

В дипломній роботі розвʻязані питання компенсації дисперсії в ВО лініях

зв’язку. Розраховані і приведені типи ВС-вставок, які здатні компенсувати

дисперсію стандартного ВС. Розглянуті принципи побудови і дія компенсаторів

дисперсії на волоконних Брегівських ґратках.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

11

1 ПЕРЕДАЧА ОПТИЧНИХ СИГНАЛІВ ВОЛОКОННИМИ

СВІТЛОВОДАМИ

В перший період оптичних досліджень дослідами були встановлені насту-

пні чотири основних закони оптичних явищ:

1) закон прямолінійного розповсюдження світла;

2) закон незалежності світлових пучків;

3) закон відбиття світла від дзеркальної поверхні;

4) закон заломлення світла на межі двох прозорих середовищ.

Сутність цих законів зводиться до наступного.

Закон прямолінійного розповсюдження світла полягає в тому, що в одно-

рідному середовищі світло розповсюджується вздовж прямих ліній. Але дета-

льне вивчення цього закону показало, що він перестає виконуватись при змен-

шенні середовища розповсюдження світла до розмірів, що наближаються до

довжини хвилі світла. Це явище розглядається у вченні про дифракцію.

Закон незалежності світлових пучків говорить про те, що світловий потік

можна розбити на окремі світлові пучки, але дія цих виділених світлових пуч-

ків буде незалежною. Глибший сенс цього закону виявляється в явищах інтер-

ференції світла.

Закон відбиття світла полягає в тому, що промінь, що падає, нормаль до

поверхні відбиття і відбитий промінь лежать в одній площині, причому кути

між променями і нормаллю однакові.

Закон заломлення світла говорить про те, що промінь, що падає і промінь

заломлений лежать в одній площині з нормаллю до межі розділу середовищ,

причому відношення синусів кута падіння і кута заломлення прямо пропорцій-

не відносному показнику заломлення двох середовищ, через які проходить сві-

тло.

Закони відбиття та заломлення також виконуються лише при виконанні

згаданих вище умов. В тому випадку, коли розміри відбиваючого дзеркала або

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

12

поверхні, що розділяє два середовища, малі, ми спостерігаємо помітний відступ

від вказаних вище законів (ці явища розглядаються при вивченні дифракції).

Окрім дифракційних явищ, основні закони, що обговорювались вище, та-

кож порушуються у випадках нелінійних явищ, які спостерігаються при доста-

тньо великих значеннях інтенсивності світлових пучків.

Одначе для більшості явищ, які спостерігаються в звичайних оптичних

приладах, перераховані закони діють досить жорстко. Крім того останній закон

має безпосереднє відношення до принципу дії ВС.

1.1 Взаємодія світла з речовиною

Швидкість світла та усіх видів електромагнітного випромінювання у віль-

ному просторі постійна і дорівнює електромагнітній сталій (швидкість світла у

вакуумі) с ≈ 3∙108 м/с. Різним спектральним складовим електромагнітного ви-

промінювання відповідають різні частоти і, відповідно, довжини хвиль. Пучок

білого світла складається з променів, що мають різні частоти. Але якщо він од-

ночастотний або, в дійсності, займає досить вузьку смугу частот, кажуть, що

пучок монохроматичний. Якщо, крім того, різниця фаз хвиль не залежить від

часу, кажуть, що хвилі когерентні.

Електромагнітні випромінювання також розрізняються за своєю поляриза-

цією. Коливання векторів електричного і магнітного полів відбуваються в на-

прямку, перпендикулярному до напрямку розповсюдження світлового пучка.

Як правило, коливання цих векторів відбуваються в ортогональних напрямках.

Якщо вектор напруженості електричного (магнітного) поля коливається в одній

площині, то така електромагнітна хвиля називається лінійно-поляризованою.

Якщо кінець вектора описує циліндричну або частіше еліптичну спіраль − має-

мо світло з круговою або з еліптичною поляризаціями.

При поширенні електромагнітних хвиль у діелектричних середовищах їх

фазова швидкість залежить від показника заломлення середовища. Показник

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

13

заломлення показує у скільки разів фазова швидкість хвилі в необмеженому

середовищі менша від швидкості світла у вакуумі:

p

сп

V, (1.1)

pV , (1.2)

де Vp – фазова швидкість;

– циклічна частота;

– повздовжня постійна поширення.

Показник заломлення середовища залежить, головним чином, від довжини

хвилі випромінювання. В межах близького та середнього інфрачервоного діа-

пазону, що використовується для оптичного зв’язку, показник заломлення ква-

рцового скла, головного матеріалу для виготовлення ВС, монотонно зменшу-

ється при збільшенні довжини хвилі (табл.1.1).

Реальний світловий пучок має спектр не нескінченно малої, а цілком пев-

ної ширини, при цьому різні спектральні складові мають різну фазову швид-

кість, що випливає із залежності показника заломлення середовища від довжи-

ни хвилі. Швидкість поширення такої сукупності хвиль у даному середовищі

від її значення в вакуумі характеризується груповим показником заломлення

gN , який залежить від показника заломлення та від довжини хвилі :

g

dnN n

d, (1.3)

який показує, у скільки разів швидкість світла в середовищі менша від її вели-

чини с у вільному просторі.

gg

сV

N. (1.4)

Детальніший розгляд поняття групової швидкості показує, що це швид-

кість розповсюдження огинаючої групи монохроматичних хвиль, близьких між

собою за частотою. В окресі максимуму зосереджена основна частина енергії

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

14

сигналу. Тому швидкість переміщення цього максимуму, тобто групова швид-

кість, характеризує швидкість перенесення енергії.

Залежність цього параметру від довжини хвилі для кварцового скла пред-

ставлена в табл.1.1.

Таблиця 1.1 Залежність показника заломлення та групового показника

заломлення для чистого кварцу (100%SiO2).

Довжина хвилі, нм Показник заломлен-

ня (n)

Груповий показник

заломлення (nr)

600 1,4580 1,4780

700 1,4553 1,4712

800 1,4533 1,4671

900 1,4518 1,4646

1000 1,4504 1,4630

1100 1,4492 1,4621

1200 1,4481 1,4617

1300 1,4469 1,4616

1400 1,4458 1,4618

1500 1,4446 1,4623

1600 1,4434 1,4629

1700 1,4422 1,4638

1800 1,4409 1,4648

Описані показники є одними з основних характеристик середовища, що

визначають його взаємодію зі світловими хвилями.

Слід зазначити, що існує цілий ряд матеріалів, які при додаванні їх до ква-

рцу можуть змінювати показник заломлення останнього.

На рис.1.1 [1] показана залежність зміни показника заломлення кварцу від кон-

центрації домішок інших матеріалів.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

15

Рисунок 1.1 — Показник заломлення кварцу при різних концентраціях домішок

Таким чином, додаючи домішки до чистого кварцового скла, ми можемо

отримати широкий спектр матеріалів для виготовлення ВС.

1.2 Волоконні світловоди та їх принцип дії.

Ефект хвилеводного розповсюдження світла в прозорому діелектричному

середовищі, показник заломлення якого більший за показник заломлення на-

вколишнього середовища, було продемонстровано Тиндалем на прикладі водя-

ного струменя під час читання лекції в Королівському інституті в 1870 р. [2].

Хвилеводний ефект в двошаровій структурі прозорих діелектриків можна

пояснити за допомогою законів Снелліуса (закон заломлення світла та закон

відбиття) [2], сформульованим в 1621 р. На рис.1.2 зображено промінь світла,

який проходить через середовище з високим показником заломлення n1 і пот-

рапляє в середовище з меншим показником заломлення n2.

При цьому виникають три випадки.

В першому випадку рис. 1.2 а виконуються умови 10   і 0 / 2

та є справедливим співвідношення:

1 2sin sinn n , (1.5)

де та — відповідно, кут падіння та заломлення;

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

16

1 – критичний кут падіння, при якому кут заломлення = /2.

При цьому заломлений промінь присутній, тобто світло переходить із дру-

гого середовища в перше.

Рисунок 1.2 — Закон Снелліуса

В другому випадку рис. 1.2 б виконуються умови = 1 і =/2, тобто

умова (1.5) набуває вигляду:

1 1 2 n sin n . (1.6)

Умова (1.6) означає, що світловий промінь із другого середовища в перше

не переходить. Теоретично, він мав би розповсюджуватися вздовж межі розпо-

ділу цих двох середовищ. Насправді ж, світловий потік від межі поділу середо-

вищ відбивається повністю назад, в друге середовище.

В третьому випадку рис. 1.2 в так само, як і в другому, відбувається явище

повного внутрішнього відбиття (заломленого променю немає).

Таким чином, завдяки явищу повного внутрішнього відбиття в щойно роз-

глянутих нами другому та третьому випадках світловий потік не виходить за

межі першого середовища.

Характерною рисою явища повного внутрішнього відбиття є те, що воно

відбувається практично без втрат світлової енергії. Зауважимо, що найкращі

металеві (срібні) дзеркала мають коефіцієнт відбиття r = 96 %, тобто 4 % світ-

лової енергії втрачається при відбитті від такого дзеркала.

Явище повного внутрішнього відбиття лежить в основі роботи ВС.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

17

У сучасних оптичних системах передачі для скеровування світла в потріб-

ному напрямку використовують ВС, що є двошаровими діелектричними хвиле-

водами, по яких розповсюджується одна або багато мод (типів) електромагніт-

них хвиль.

Розповсюдження світла через ВС є досить складним процесом. Для полег-

шення його розуміння застосуємо променеву теорію (промінь відповідає моді).

Точніша модель базується на теорії електромагнітного поля і для пояснення

принципу роботи ВС вона є складнішою [3].

Розгляд роботи ВС розпочнемо із ВС зі східчастим профілем показника

заломлення рис. 1.3. Такий ВС є циліндричною діелектричною системою, яка

складається із прозорого осердя з показником заломлення n1, оточеного зовні-

шньою, також прозорою, оболонкою з показником заломлення n2. Для забезпе-

чення повного внутрішнього відбиття виконується умова: n1 > n2. Торець ВС

сформовано під прямим кутом до його оптичної осі. На рис.1.3 зображене роз-

повсюдження променів, що входять в прямий торець ВС із навколишнього се-

редовища (наприклад, повітря з показником заломлення n0 1).

Рисунок 1.3 — Розповсюдження світла в ВС.

Промінь світла розповсюджується всередині ВС багаторазово відбиваю-

чись від межі осердя та оболонки. Одначе не всі промені розповсюджуються у

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

18

ВС, а лише ті, які були спрямовані в ВС ззовні під певними кутами і містяться в

середині конуса, утвореного кутом ф0. Цей кут називають апертурним, він є

максимальним кутом за якого ще виконується явище повного внутрішнього

відбиття. Синус цього кута визначається формулою [1]:

2 2

0 1 2 0 1 0 02 sinNA n n n n n n , (1.7)

де NA =п0 sin( 0) − числова апертура; n1, n2.− показник заломлення, відпо-

відно, осердя та оболонки; n0 − показник заломлення середовища в якому зна-

ходиться торець ВС (для повітря n0 1);

1 2

2

( )n n

n (1.8)

— відносна різниця показників заломлення.

Будь-який короткий світловий імпульс у ВС можна уявити як віяло проме-

нів, кожний з яких введений у ВС під своїм кутом і розповсюджується вздовж

ВС відповідною траєкторією. Враховуючи те, що показник заломлення речови-

ни n однаковий в усіх точках обʻєму осердя ВС, можна зробити висновок, що

промені, які входять в ВС під різними кутами, за одиницю часу проходять різну

відстань вздовж ВС.

Таким чином, якщо в межах апертурного кута в ВС одночасно ввести віяло

променів, то на виході ВС з довжиною l, вони будуть розподілені в часі на інте-

рвалі Т, який можна знайти за формулою [2]:

1

2

n l

Тn c

. (1.9)

В результаті, світловий імпульс, що формується променями, які розповсю-

джуються під усіма можливими кутами, буде розмитим у часі в процесі свого

розповсюдження по ВС на величину, що визначається виразом [2]:

1

2

Т n

l n c. (1.10)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

19

Таке розширення світлового імпульсу при його розповсюдженні вздовж

ВС називається міжмодовою дисперсією.

Розподіл показника заломлення ВС вздовж діаметра його поперечного пе-

рерізу називають профілем показника заломлення (ППЗ). В залежності від ППЗ

ВС розподіляються на ступінчасті, градієнтні, та зі складним профілем.

Останні частіше використовуються при виробництві ВС.

Для градієнтних ВС розподіл показника заломлення вздовж радіуса осердя

визначається за формулою [1]

1( ) (1 2 ( ) )grn r n

a. (1.11)

Рисунок 1.4 — Степеневий профіль ППЗ ВС

g = 1– трикутний ППЗ; g = 2– градієнтний ППЗ; g = ∞ – східчастий.

Ґрадієнтні BC, тобто ВС з плавною поступовою зміною показника

заломлення, мають кращі властивості ніж східчасті ВС. Як видно з рис.1.5, на

якому зображено розповсюдження променів світла в градієнтному ВС, осьові

промені проходять через ВС найкоротшим шляхом, але їхній шлях проходить

через області з найбільшою оптичною густиною, тобто вони мають найменшу

швидкість розповсюдження. Нахилені промені, навпаки, проходять

геометрично довшими траєкторіями, але більша частина шляху в цьому разі

припадає на область з меншою оптичною густиною, внаслідок чого вони

розповсюджуються швидше.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

20

Таким чином, можна уявити собі, що при належному виборі профілю

показника заломлення усі промені, що сходяться в одній точці, можуть бути

сфокусовані знову, утворюючи періодичну послідовність точок фокусування

вздовж ВС. Тому розширення імпульсу світла при його розповсюдженні вздовж

градієнтного ВС є значно меншим ніж у східчастих ВС.

Рисунок 1.5 — Розповсюдження світла в градієнтному ВС

1 – осьовий промінь; 2 – промені із нахилом.

Одначе, найкращі властивості для передачі інформаційного сигналу все ж

мають ОМВС, в яких розповсюджується лише один тип хвилі (одна мода)

(рис.1.6.).

Рисунок 1.6 — Розповсюдження світла в ОМ ВС

Це пояснюється тим, що в цьому випадку зникає міжмодова дисперсія і

швидкість передачі обмежується тільки хроматичною дисперсією (т.зв. фунда-

ментальна дисперсія), яка має суттєво менше значення порівняно з міжмодо-

вою. Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

21

1.3 Типи хвиль, що розповсюджуються в волоконних світловодах.

Згідно з променевою теорією, всі промені, які вводяться у ВС під кутом рі-

вним або меншим від критичного, далі розповсюджуються в його осерді. Кіль-

кість мод, що розповсюджуються у ВС залежить від розміру осердя, показника

заломлення та довжини хвилі. Кількість мод Nm можна визначити через нормо-

вану частоту V за формулою:

2

22(1 )

m

VN

g

, (1.12)

2 21 2

2 aV n n , (1.13)

де g – показник ступеня, що визначає зміну показника заломлення від радіусу

волокна; - довжина електромагнітної хвилі; n1, n2- показники заломлення

відповідно серцевини і оболонки; а – радіус серцевини.

Для східчастого ВС, як можна побачити з виразів (при g = ∞), якщо нормо-

вана частота V < 2,405 розповсюджується лише одна мода (має місце одномо-

довий режим передачі), а якщо V > 2,405, то у ВС розповсюджується багато мод

(має місце багатомодовий режим передачі). Для градієнтного ВС з параболіч-

ним профілем (g = 2) ОМ режим має місце за умови V < 3,53, відповідно бага-

томодовий – при V > 3,53.

В загальному випадку у ВС можуть існувати три типи хвиль: напрямні, ті

що витікають та випромінювані рис. 1.7. Наявність та домінування якого-

небудь типу хвиль пов’язані з апертурою, співвідношенням кутів падіння хвилі

та повного внутрішнього відбиття.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

22

Рисунок 1.7 — Типи хвиль

Напрямні хвилі (хвилі серцевини) – це основний тип хвиль, що розповсю-

джуються по ВС. Енергія хвилі зосереджена всередині серцевини, чим забезпе-

чується передача інформації. Усі напрямні хвилі вводяться в торець ВС під ку-

тами ≤ 0, де 0 - апертурний кут.

Випромінювані хвилі (просторові хвилі) виникають при вводі променів під

кутом, більшим за апертурний. Тут вся енергія вже на початку лінії випроміню-

ється в оточуючий простір, що є причиною додаткових втрат енергії. Випромі-

нювані хвилі можуть виникнути і в місцях нерегулярностей ВС.

Хвилі, що витікають (хвилі оболонки) виникають, головним чином, за ра-

хунок хвиль, що входять в торець ВС не через його вісь. Вони можуть, також,

виникати в місцях нерегулярностей ВС. Такі хвилі розповсюджуються в оболо-

нках ВС, частково випромінюючись зовні, а частково переходячи в напрямні

моди.

Випромінювані та хвилі, що витікають – є паразитними хвилями, що приз-

водять до розсіяння енергії та спотворення інформації. Тому на початку лінії

передачі їх позбуваються різними методами.

1.4 Волоконні світловоди

Волоконні світловоди – це діелектричні структури, вздовж яких може роз-

повсюджуватись електромагнітна енергія у видимій і інфрачервоній ділянках

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

23

спектра. Реальні хвилеводи, які використовуються у техніці зв’язку, являють

собою гнучкі ВС з прозорих діелектричних матеріалів.

ВС виробляються різними способами, забезпечують передачу оптичного

випромінювання на різних довжинах хвиль, мають різні характеристики та ви-

конують різні задачі [3].

Всі ВС поділяються на дві основні групи: багатомодові і ОМ.

Багатомодові поділяються на східчасті і градієнтні.

ОМ ВС підрозділяються на східчасті ОМ ВС або стандартні ВС SF, на ВС

зі зміщеною дисперсією DSF, і на ВС з ненулевою зміщеною дисперсією

NZDSF.

Кожен ВС складається з осердя і оболонки з різними показниками залом-

лення та покриття (рис.1.8).

Центральна частина – осердя оточена оболонкою, яка в свою чергу, охоп-

лена захисним покриттям. При позначенні волокна вказують через дробову ри-

ску значення діаметрів серцевини та оболонки (рис.1.8).

Волоконні світловоди між собою відрізняються діаметром серцевини та

оболонки, а також профілем показника заломлення.

У волоконно-оптичних лініях зв’язку найбільш широко використовуються

такі стандарти ВС [1]:

- багатомодовий градієнтний ВС 50/125;

- багатомодовий градієнтний ВС 62.5/125;

- одномодовий східчастий ВС 8-10/125;

- одномодовий ВС зі зміщеною дисперсією 8-10/125;

- одномодовий ВС з ненульовою зміщеною дисперсією.

Більшість пристроїв волоконної оптики використовують область інфраче-

рвоного спектру в діапазоні довжин хвиль від 800 нм до 1600 нм в основному в

трьох вікнах прозорості: 850 нм, 1310 нм і 1550 нм. Саме коло цих трьох дов-

жин хвиль існують зосередженні мінімуми загасання сигналу чим забезпечу-

ється велика відстань передачі.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

24

Розглянемо стандарти ВС, які будуть корисні при виконанні даної дипло-

мної роботи.

У східчастому ВС діаметр світлонесучої жили є одного порядку з довжи-

ною світлової хвилі. У такому волокні при достатньо великої довжині хвилі

світла поширюється тільки одна мода. Одномодовий режим в ВС реалізується у

вікнах прозорості 1310 нм і 1550 нм. Поширення однієї моди приводить до від-

сутності міжмодової дисперсії і забезпечує дуже високу пропускну спромож-

ність ВС в цих вікнах прозорості. Найкращий режим, з огляду на дисперсію,

досягається в околі довжини хвилі 1310 нм, коли хроматична дисперсія оберта-

ється в нуль.

Рисунок 1.8 — Схематична будова ВС

Класичним представником цього ВС є східчастий ВС оболонку якого зде-

більшого виготовляють з чистого кварцу (SiO2), а серцевину – з кварцу слабко

легованого двоокисом германію (3,1%GeO2 : 96,9%SiO2). Для ВС такого типу

властива низка недоліків, найбільш суттєвий з яких, з точки зору використання

в волоконно-оптичних лініях зв’язку великої довжини полягає в тому, що об-

ласть нульової дисперсії, яка знаходиться в діапазоні довжин хвиль 1310 нм, не

співпадає з діапазоном мінімальних оптичних втрат кварцу (1550 нм).

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

25

Тому при проектуванні ВОСП на цих ВС доводиться вирішувати, що важ-

ливіше: або забезпечити широку смугу пропускання та зменшити довжину ре-

генераційної ділянки, або, орієнтуючись на мінімальні оптичні втрати, зменши-

ти смугу пропускання.

Розробка оптичних ВС з зміщеною дисперсією хвилі нульової дисперсії в

діапазон мінімальних втрат дозволила позбавити цього недоліку.

У ВС зі зміщеною дисперсією довжина хвилі, на котрій результуюча дис-

персія обертається в нуль зміщена у вікно прозорості 1550 нм. Таким чином, у

ВС зі зміщеною дисперсією реалізуються найкращі характеристики як по міні-

муму дисперсії, так і по мінімуму енергетичних втрат. Тому такий ВС о краще

підходить для будівництва протяжних регенераційних ділянок. Зрозуміло, єди-

на робоча довжина хвилі береться близькою до 1550 нм.

Недоліком цього типу ВС є недоцільність їх використання на довжинах

хвиль, близьких до 1300 нм, так як у цьому діапазоні вони мають суттєве зага-

сання і обмежену смугу пропускання. Тому був розроблено цілий клас оптич-

них ВС, спектральні характеристики дисперсії яких мають згладжену форму,

близьку до нуля в широкому діапазоні довжин хвиль (від 1250 нм до 1700 нм)

при наявності двох довжин хвиль з нульовою дисперсією. Таке сплощення дис-

персійної характеристики також досягається завдяки використанню спеціаль-

них профілей показника заломлення серцевини.

Конструкція таких ВС являє собою однорідну чи градієнтну серцевину,

оточену багатошаровою оболонкою, і дозволяє забезпечити одномодовий ре-

жим за великого радіусу серцевини, що в свою чергу полегшує процес виготов-

лення та з’єднання ВС при проведенні монтажних робіт, знижуючи величину

втрат на з’єднаннях. Використання ВС зі згладженою дисперсією дозволяє зна-

чно збільшити об’єм інформації, що передається за рахунок одночасної роботи

в кількох вікнах прозорості по одному світловоду.

Одномодове ВС з ненульовою зміщеною дисперсією оптимізоване для

роботи на декількох довжинах хвиль (мультиплексного хвильового сигналу).

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

26

Передача мультиплексного хвильового сигналу на великі відстані потребує

використання лінійних широкосмугових підсилювачів, із яких найбільшого

поширення набули так звані ербієві підсилювачі на основі легованого ербієм

ВС. Такі лінійні підсилювачі ефективно посилюють сигнали у своєму робочому

діапазоні від 1530 нм до 1560 нм. Довжина хвилі нульової дисперсії у таких

ВС, на відміну від DSF ВС, виведена за мажі цього діапазону, що значно посла-

блює вплив нелінійних ефектів в окресі точки нульової дисперсії при поширен-

ні декількох хвиль.

Для оптичних систем зв’язку, (рекомендація G.652) [6] пропонує застосо-

вувати одномодове ВС, характеристики якого оптимізовані для використання

на довжині хвилі 1300 нм і яке може бути використано в діапазоні біля 1550 нм.

Дані ВС повинні мати наступні геометричні та оптичні характеристики:

Таблиця 1.2 Геометричні та оптичні характеристики ВС за рекомендацією

G.652

Діаметр модової плями на довжині хвилі 1300 нм

Модове поле

Діаметр оболонки

Похибка концентричності модового поля в діапазоні 1300

нм, не більше

Некруглість модового поля

Некруглість оболонки, не більше

Довжина хвилі зрізу:

а) з первинним покриттям, в межах

б) в прокладеному ОК, не більше

Профіль показника заломлення

Коефіцієнт загасання в діапазоні:

1300 нм, не більше

1500 нм, не більше

Дозволений діапазон довжин хвиль з нулевою дисперсі-

єю, в межах

Коефіцієнт хроматичної дисперсії в діапазоні довжин

хвиль:

1270 – 1340 нм, не більше

1550 нм, не більше

(9-10) мкм 10%

Номінально кругле

125 мкм 2.4% (3 мкм)

1 мкм

Не нормується

2%

(1100-1280) нм

1260 нм або 1270 нм

Не нормується

0.45 дБ/км

0.3 дБ/км

(1300-1324) нм

3.5 пс/(нм∙км)

19 пс/(нм∙км)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

27

2 ДИСПЕРСІЯ В ВОЛОКОННИХ СВІТЛОВОДАХ

2.1 Дисперсія

Дисперсія – це розширення імпульсу в часі при проходженні його через

ВС. Розрізняють два види дисперсії – міжмодову та хроматичну. В свою чергу

хроматична дисперсія складається з хвилеводної, матеріальної, поляризаційної

та профільної.

Як було зазначено, міжмодова дисперсія виникає із-за різниці шляхів, які

проходять різні моди при їх розповсюдженні у ВС.

Хроматична дисперсія (внутрішньомодова) – виникає при наявності у

джерела світла широкої спектральної смуги випромінювання. Це призводить до

розширення імпульсу в межах кожної моди на виході ВС. Це явище виникає із-

за залежності показника заломлення матеріалу від довжини хвилі (матеріальна

дисперсія), постійної розповсюдження моди від довжини хвилі (хвилеводна ди-

сперсія), функції профілю показника заломлення осердя та відносної різниці

показників заломлення осердя і оболонки від довжини хвилі (профільна). По-

лярізаційна дисперсія виникає внаслідок різної швидкості поширення двох вза-

ємно перпендикулярних фундаментальних мод, що мають однакову дисперсій-

ну залежність (залежність постійної розповсюдження моди від довжини хвилі).

Остання дисперсія дуже мала і в більшості розрахунків її не враховують. Хро-

матична дисперсія характеризується коефіцієнтом дисперсії, що вимірюється в

пс/(нм∙км).

Повна дисперсія в ВС визначається як геометрична сума хроматичної та

міжмодової дисперсій [1]:

2 2 2 2( ) ( )між хр між s хрL E D L D , (2.1)

де Dміж – коефіцієнт міжмодової дисперсії; Dхр – коефіцієнт хроматичної

дисперсії; − ширина спектральної лінії джерела випромінювання; Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

28

L – довжина ВС; Е – коефіцієнт зв’язку мод, що являє собою емпіричну

величину зі значенням 0.6…0.7.

2.2 Дисперсія в одномодових волоконних світловодах.

В ОМВС розповсюджується лише одна мода HE11 (вірніше, дві моди з

двома різними станами поляризації, але з однією дисперсійною залежністю

()), тобто розширення імпульсів визначається в межах цієї моди. Міжмодова

дисперсія відсутня.

Щоб оцінити розширення сигналу, зумовлене дисперсією в різних ВС,

потрібно вибрати стандартний вхідний імпульс. За нього, зазвичай, беруть

дельта-функцію Дірака (-імпульс). Після цього проводять електродинаміч-

ний аналіз для вибраних ВС [2].

Результатом такого аналізу є методика розрахунку, що дає можливість

оцінити розширення імпульсів при їх розповсюдженні по ВС.

Наведемо методику розрахунку дисперсії.

Як показує аналіз, загальна дисперсія в ВС описується таким виразом:

s хрL D , (2.2)

1 2 3( )хрD Т Т Т , (2.3)

де Dхр– коефіцієнт хроматичної дисперсії; s − ширина спектральної смуги

джерела випромінювання.

Коефіцієнт хроматичної дисперсії складається з трьох складових (Т1, Т2,

Т3), що, відповідно, відповідають за матеріальну, хвилеводну і профільну

складові дисперсії.

Ці складові можна розрахувати наступним чином:

2 2

1 22 2

1 11 ( ( ) (1 ( ))

2 2

dVb d n dVb d nT b b

dV c dV cd d, (2.4)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

29

2

21 12

1

2 (1 )n dn d Vb

T Vc n d dV

, (2.5)

2

2 22

2

3 (1 ) ( )4

n dn d d Vb dVb dT V b

C n d d dV ddV, (2.6)

де n1, n2 – відповідно показники заломлення осердя і оболонки, вираз залеж-

ності яких від довжини хвилі буде наведено у третьому розділі;

b, dVb/dV, V(d2Vb/dV2) – функції від нормованої частоти, що описують

передавальну здатність ВС.

Функції від нормованої частоти мають різний характер зміни для ВС з

різними профілями показника заломлення осердя і описуються апроксимува-

льними виразами для кожного профілю окремо. Наприклад, для W-подібного

профілю апроксимувальні вирази визначаються наступним чином:

2 3

2

141 100.5 20.8

56.6 7.4 3.9

V V Vb

V V, (2.7)

2 3

2

186 135.9 27.5

98.2 69.2 12.1

dVb V V V

dV V V, (2.8)

2 2 3

2 2

136.6 89.8 17.7

85.7 59.2 10.1

d Vb V V VV

dV V V. (2.9)

Таким чином, користуючись наведеною вище методикою розрахунку

дисперсії ОМ ВС можна отримувати їх дисперсійні характеристики, потрібні

при розробці нових типів оптичних компонент.

2.3 Смуга пропускання.

По ВС передається не просто світлова енергія, а корисний інформацій-

ний сигнал. Імпульси світла, послідовність яких визначає інформаційний по-

тік, у процесі поширення розширюються. При великому розширенні, імпуль-

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

30

си можуть перекриватися так, що стає неможливим їх розділення при прийо-

мі.

Дисперсія характеризує розширення імпульсів. Вона має розмірність часу і

визначається як квадратична різниця тривалостей імпульсів на вході і виході

кабелю завдовжки L. Зазвичай, дисперсія 1 нормується в розрахунку на 1 км і

вимірюється в пс/км. Дисперсія в загальному випадку характеризується трьома

основними чинниками: розходженням групових швидкостей поширення спря-

мованих мод хвилеводу (міжмодовою дисперсією), спрямовуючими властивос-

тями світловодної структури (складова хвилеводної дисперсії коефіцієнта хро-

матичної дисперсії), властивостями матеріалу ВС (складові матеріальної та

профільної дисперсій коефіцієнта хроматичної дисперсії).

Чим меншим є значення дисперсії, тим більше інформації можна передати

по ВС. Результуюча дисперсія визначається за формулою (2.1).

На практиці частіше користуються терміном смуга пропускання, що чисе-

льно дорівнює інформаційній ємності [3]. При розрахунку смуги пропускання

користуються коефіцієнтом широкосмуговості, що розраховується за форму-

лою:

1

0,25W . (2.10)

Вимірюється коефіцієнт широкосмуговості в МГцкм. Із визначення сму-

ги пропускання видно, що дисперсія накладає обмеження на відстань переда-

вання і верхню частоту сигналів, що передаються. Фізичний зміст смуги пропу-

скання – це максимальна частота (частота модуляції) сигналу, що передається,

через ВОСП.

Дисперсія, що визначає смугу пропускання, складається з двох частин –

міжмодової і хроматичної складових. Якщо міжмодова дисперсія мало зале-

жить від довжини хвилі – залежністю показника заломлення від довжини хвилі

можна знехтувати − то хроматична дисперсія пропорційна ширині спектру ви-

промінювання. Питома хроматична дисперсія при довжинах хвиль в окресі

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

31

1300 нм є близькою до нуля, тоді як при довжині хвилі 850 нм вона приблизно

дорівнює 100 пс/(нм∙км). Специфіка використання багатомодового ВС така, що,

зазвичай, в якості передавачів використовуються світловипромінювальні діоди

(СВД) з шириною спектральної лінії випромінювання ~50 нм на відміну від ла-

зерних діодів, шириною ~2 нм і менш. Це призводить до того, що хроматична

дисперсія на довжині хвилі 850 нм починає грати істотну роль поряд із міжмо-

довою дисперсією. Суттєво зменшити хроматичну дисперсію можна викорис-

танням лазерних діодів, які мають значно меншу ширину спектральної лінії ви-

промінювання. Скористатися цією перевагою можна тільки при використанні

ОМВС у вікнах прозорості 1310 нм та 1550 нм, коли повністю відсутня міжмо-

дова дисперсія і залишається тільки хроматична дисперсія.

2.4 Довжина регенераційної ділянки за часовими характеристиками.

Довжина регенераційної ділянки обмежується розширенням імпульсів у

ВС, при якому виникають інтерференційні завади, що призводять до помилок

регенерації. Розширення імпульсів (дисперсія) залежить від типу ВС та ширини

спектральної лінії джерела випромінювання.

Показано, що розширенням імпульсів на довжині регенераційної ділянки

Lр можна зневажати, якщо швидкість передачі інформації не перевищує:

p

WB

L, (2.11)

p

WL

B, (2.12)

де W – коефіцієнт широкосмуговості волоконного світловода, МГц∙км;

B – швидкість передачі світлових імпульсів вздовж ВС, Мбіт/с.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

32

3 МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВОЛОКОННИХ СВІТЛОВОДІВ

Сьогодні уже можливо виготовляти ВС зі згасанням менше 5 дБ/км. При

цьому використовується дуже чисте скло і сучасна технологія витягу. Для ви-

готовлення ВС високої якості потрібно одночасно враховувати багато факторів.

Спочатку зупинимося на хімічному складі скла і його фізичних властивостях.

Потім переглянемо різні методи, використовуючи котрі можна одержати ВС із

заданими характеристиками.

Зауважимо, що кора земної кулі складається приблизно на 62% із кисню і

21% кремнію. Ці два елементи являються основними складовими скла з незна-

чним вмістом іонів металу, які, або замінюють кремній в структурі молекули в

вигляді тетраедра, або приводять до розриву зв’язку між кремнієм в тетраедрі.

Точний склад скла може дуже змінитися, але він повинен містити кисень, кре-

мній ,бор, натрій і алюміній, а також атоми, котрі формують просторову струк-

туру. Типи скла перераховані в табл.3.1.

Існують інші окиси (див.табл.3.1), названі структурними модифікаторами,

котрі необхідні для того щоб змінювати, або модифікувати основні властивості

скла, такі, як показник заломлення, теплове розширення, коефіцієнт абсорбції і

точка плавлення.

Таблиця 3.1 — Деякі найбільш загальні типи скла і їх композиції

Стру-

ктурна фо-

рма

Структурний моди-

фікатор (легуючий дода-

ток)

Стру-

ктурна

форма

Структурний моди-

фікатор (легуючий дода-

ток)

SiO2 K2O Al2O3 CaO

B2O3 MgO Na2O PbO

Найбільший зв’язок в склі – це зв’язок Sі-О в кварцовому тетраедрі. Відсу-

тність симетрії в структурі допускає варіацію міцності зв’язку від одного тетра-

едра до другого. Міжатомні відстані в кожному тетраедрі майже одинакові

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

33

1,62∙10-10 м. Кожний атом кремнію зв’язаний з чотирма атомами кисню, а кож-

ний атом кисню зв’язаний з двома атомами кремнію. Якщо в кварцове скло до-

бавляються інші окиси, то загальна кількість атомів кисню, перебуваючих у

склі, збільшується. Значить, деякі атоми кисню, котрі зв’язані тільки з одним

атомом кремнію, повинні створювати допоміжні зв’язки з іншими присутніми

атомами. Наприклад, при добавці натрію проходить порушення структури Sі-О,

що приводить до виникнення натрієво-силікатного скла. В результаті структура

виходить не такою міцно зв’язаною і температура плавлення знижується. З ін-

шої сторони, іони металу можуть дифундувати в скло і самі розподіляться між

шарами в просторовій решітці.

Існують і інші типи скла, наприклад такі, де решітки утворені В2О3, Na2О і

т.д. Ці матеріали часто використовуються в промисловому виробництві, але во-

ни не підходять для виготовлення ВС із-за своїх оптичних характеристик.

Відмінною властивістю скла являється те, що при нагріванні у цього мате-

ріалу проходить неперервне зниження в’язкості. Значить, скло пом’якшується

поступово, замість того, щоб різко пройти етап плавлення, як це проходить у

кристалах. Це звичайно, унікальна властивість аморфних речовин. Якщо скло

буде в напруженому стані, то в місці прикладання навантаження буде мати міс-

це ефект пріоритетної орієнтації, що приведе до місцевої анізотропії. Тому по-

казник заломлення скла залежить від його попередньої теплової обробки. З змі-

ною композиції скла можуть змінюватись також показник заломлення і темпе-

ратурний коефіцієнт розширення. Різниця в показниках заломлення між серце-

виною і оболонкою (), як завжди контролюється. Змінюючи концентрацію ле-

гуючих добавок, можна одержати потрібне значення по кривій ізотермічного

розширення. Це робиться при допомозі двох допоміжних окислювачів. Напри-

клад, натрієво-кальцієво-силікатна група одна із таких систем. Другою цікавою

склоутворюючою системою є натрієво-боросилікатна група, так як у цьому ви-

падку можна не тільки модифікувати показник заломлення, зберігаючи в той

же час, постійним температурний коефіцієнт розширення, але також добитися

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

34

відносно низької точки пом’якшення, що дуже важливо при виготовленні ВС.

Але при цьому дуже велику увагу треба приділити вибору композиції для такої

системи, так як існує відносно широкий діапазон діаграми фазової рівноваги, в

якій скло не стабільне і має тенденцію до розділення на дві різні групи: одна з

кварцовою структурою, а друга з окисом бору. Для одержання дуже великої

різниці в показнику заломлення в якості легуючої береться силікатна група. В

ВС, виготовленому із такого скла, загасання набагато більше, ніж у ВС, що ма-

ють інший склад скла.

Всім матеріалам для волоконних світловодів: стеклам оксидним і безкис-

лотним, кристалам, полімерам, рідинам навіть при їх ідеальній високо когерен-

тній мікроструктурі і абсолютній відсутності домішок принадне власне фунда-

ментальне світлоослаблення. Знання власного світлоослаблення матеріалів не-

обхідне для обліку його вкладу в загальне загасання ВС і для оцінки нижньої

(теоретичної і потенціально досяжної) границі світлопослаблюючих вихідних

матеріалів. При використанні стекол в системах традиційної оптики, коли тов-

щини скла по ходу променя малі, мікроструктура скла є ізотропною, а світло-

пропускання їх у видимій частині, неселективними. При виготовленні волокон-

них світловодів дека і багатокілометрових довжин з діаметром серцевини (3-

100) мкм, коли потрібно забезпечити світлоослаблення на 3-5 порядків менше в

порівнянні з традиційною оптикою, проявляється мікроанізотропність – низька

когерентність мікроструктури скла і вплив на його спектральне світлопропус-

кання фундаментальних механізмів світлоослаблення вихідних “ідеальних” ма-

теріалів: власних сильних смуг поглинання в ультрафіолетовій та інфрачерво-

ній частинах спектру, а також тиндалево-релеєвського розсіювання.

Ультрафіолетове власне поглинання стекол (з “ідеально” когерентною мі-

кроструктурою і абсолютно без домішок) викликається атомними переходами,

в тому ж числі включаючи переходи на кисні, і дещо зміщується по довжинам

хвиль при зміні складу стекол (рис.3.1). Це поглинання відрізняється високою

інтенсивністю, і хоча довжини хвиль, які представляють цікавість для роботи

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

35

ВОЛЗ, знаходяться в ближній і середній ІЧ областях спектру, важливо оцінити

внесок довгохвилевого шлейфу УФ (зонного) поглинання в сумарне загасання

ВС. Як правило чим, вище показник заломлення скла, тим вище його УФ пог-

линання (рис.3.1). Серед оксидних стекол найбільш віддалену межу УФ погли-

нання має кварцове скло.

Окремі компоненти скла хімічно зв’язні. Теплова енергія підтримує їх в

стані постійного хаотичного руху таким чином, що любий індивідуальний

зв’язок, наприклад зв’язок Si-O, в склі неперервно осцилює.

Рисунок — 3.1 Середні відносні спектральні криві світлопоглинання опти-

чними стеклами: 1- крони; 2- баритові крони; 3-тяжкі крони; 4- флінти; 5- тяжкі

флінти.

Таким чином власне фундаментальне поглинання кварцових стекол при

довжині хвилі близько 1,55 мкм дорівнює 0,03дБ/км і при абсолютній відсутно-

сті домішок не є перешкодою для реалізації волоконних світловодів з загасан-

ням менше 1 дБ/км в діапазоні довжин хвиль (0,8-2,8) мкм.

Розсіювання світла – це динамічний процес перетворення характеристик

випромінювання при його взаємодії з речовиною, що супроводжуються зміна-

ми:

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

36

− просторового розподілу інтенсивності світла;

− частотного складу світла;

− поляризації прохідного і розсіюваного світла;

− форми та тривалості світлових імпульсів та ін.

Ці перетворення характеристик випромінювання відбуваються як в режимі

лінійної оптики, як і при збудженні різноманітних нелінійних процесів в

об’ємних матеріалах, так і в ВС. Розсіяне світло являє собою в загальному ви-

падку ансамбль некогерентних вторинних хвиль, що сприймаються як не влас-

не випромінювання середовища – вихідних матеріалів і ВС.

В загальному випадку в масивних матеріалах і в ВС в режимі лінійної оп-

тики спостерігається три основні види світлорозсіювання:

− тиндалево-релеєвське розсіювання на частинках з розмірами r, меншими

від довжини хвилі n світла в середовищі n;

− розсіювання Лява-Мі на частинках з перерізом r, рівним n;

− розсіювання світла великими частинками з r >> n, що являють собою

інородні аномальні домішкові включення в матеріалах і в ВС.

Глибоке очищення вихідних хімічних реактивів, сучасний високий рівень

синтезу з них оптичних матеріалів, вихідних заготовок та технології виготов-

лення з них ВС дозволяють практично повністю уникнути останніх двох видів

світлорозсіювання. Фундаментальним і незнищенним в звичайних умовах є

тиндалево-релеєвське розсіювання.

Інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна квадрату об’єму розсі-

ювальної частинки або шостій ступені ефективного радіусу частинки і сильно

залежить від різниці діелектричної проникності світлорозсіювальної частинки і

навколишнього середовища. В чистих середовищах, що не мають інорідних

домішок, розсіювання світла обумовлено неоднорідностями, що виникають в

процесі хаотичного теплового руху частинок середовища. Ці неоднорідності

пов’язані з флуктуаціями густини, що приводять до світлорозсіювання 1, із

флуктуаціями концентрації компонентів матеріалу, що являються джерелами

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

37

світлорозсіювання 2. Серед усіх силікатних стекол, що застосовуються для ви-

готовлення ВС, найменшу діелектричну проникність має кварцове скло; в чис-

тому кварцовому склі світлорозсіювання 1 > 0, а 2 0. Таким чином, в групі

силікатних стекол чисте кварцове скло має мінімальні світловтрати на тиндале-

во-релеєвське розсіювання.

Поряд з фундаментальними джерелами світлопослаблення в матеріалах

для ВС мають місце світловтрати, які обумовлені наявністю домішок і пору-

шеннями когерентності мікроструктури; в загальному випадку ці джерела світ-

лопослаблення є аномальними, невласними, яких в принципі можна повністю

позбутися. До домішкових джерел світлопослаблення відносяться:

− іони перехідних металів; гідроксильні іони ОН;

− металеві і неметалеві включення, наприклад, з матеріалу тиглів;

− легуючі домішки.

До мікроструктурних джерел світлопослаблення відносяться різноманітні

порушення когерентності мікроструктури, що виникають як при синтезі вихід-

них матеріалів і заготовок, так і при перетворенні їх в ВС, в тому числі:

− деформацій мікроструктури на молекулярному рівні, наприклад, тетра-

едрів SiO2 в кварцовому склі;

− розриви зв’язків типу Si-O, B-O, Ge-O, P-O, Al-O та ін.;

− фазові розділення компонентів стекол.

Домішкові та мікроструктурні джерела світлопослаблення в загальному

випадку зменшують випромінювання і поглинанням, і розсіюванням: збільшу-

ють інтенсивність тиндалево-релеєвського розсіювання, ініціюють світлороз-

сіювання Лява-Мі і більш (грубе) променеве світлорозсіювання.

Кварцові стекла леговані двоокисом германію, дозволили створити ВОЛЗ

багатокілометрових довжин з відстанями між ретрансляторами до 100 км. В

групі силікатних стекол найменше сумарне фундаментальне світлопослаблення

має абсолютно чисте кварцове скло з високою просторово-матеріальною коге-

рентністю мікроструктури, причому мінімум загасання дорівнює 0,16 дБ/км

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

38

при = 1,55 мкм. Будь-які легуючі домішки, що додаються в таке кварцове

скло для підвищення його показника заломлення, збільшують його світлоосла-

блення.

Разом з тим при інших рівних умовах в першому наближенні зменшення

на порядок світлоослаблення ВС дозволяє збільшити на порядок безперервну

довжину волоконного тракту між двома послідовними ретрансляторами. Зви-

чайно, для забезпечення високих швидкостей передачі інформації при цьому

ВС одночасно повинні мати малу матеріальну дисперсію. Рівень мінімуму світ-

лопослаблення і довжина хвилі, яка відповідає цьому мінімуму, визначається в

основному двома фундаментальними механізмами: тиндалево-релеєвським ро-

зсіюванням і короткохвильовим шлейфом інфрачервоного поглинання. З цього

витікає, що подальше зменшення світлопослаблення матеріалів для ВС можли-

ве шляхом використання середовищ, у яких короткохвильовий шлейф інфраче-

рвоного багатофонового поглинання зміщений в довгохвильову область спект-

ру далі, ніж у кварцового скла: швидке зменшення світловтрат на тиндалево-

релеєвське розсіяння з ростом довжини хвилі веде до зниження мінімуму світ-

лопослаблення матеріалу, при цьому одночасно і обов’язково відбувається

зміщення цього мінімуму в довгохвильовий бік спектру і тим самим подальше

зниження мінімуму світлопослаблення ВС можливе при використанні безкис-

невих матеріалів, які вміщують важчі елементи. Багато склоподібних і криста-

лічних матеріалів є прозорими в області довжин хвиль до 60 мкм і в окремих

вікнах цього спектрального діапазону мають власне сумарне фундаментальне

світлопослаблення, яке лежить в інтервалі (10-2-10-4) дБ/км, тобто на 1-3 поряд-

ки нижче, чим кварцові і германатні стекла.

Ендеміка ВС веде до хвилеводних джерел світлопослаблення і до певних

перетворень і обмежень параметрів світлового поля, що каналюється по ВС. Ці

фундаментальні хвилеводні перетворення, обмеження і механізми світлопосла-

блення розглянемо з урахуванням наступних характеристик ВС:

− світлосили;

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

39

− крайового ефекту;

− величини скосу вхідного і вихідного торців;

− кривизни вигину, в тому числі критичних мікровигинів;

− змін по довжині ВС, площі і форми перерізу осердя Dc = f(x, y, z);

− світловтрати на поглинання осердям;

− на поглинання і розсіювання при внутрішніх відбиттях на межі осердя –

оболонка;

− френелівське відбиття від торців, розсіювання та ін.

При перетворенні навіть ідеального з абсолютною просторово-матеріаль-

ною когерентністю мікроструктури, з нульовим світлопослабленням і дисперсі-

єю матеріалу в ВС відбуваються суттєві трансформації мікроструктури вихід-

них матеріалів на внутрішньо- та міжмолекулярному рівнях та в мікрооб’ємах;

при цьому в загальному випадку ВС може набувати світлопослаблюючі (або, в

принципі світлопідсилюючі) центри і зміни дисперсії його матеріалу. Крім про-

сторово-геометричних змін ВС відрізняється від вихідного матеріалу суттєво

перетвореної когерентністю мікроструктури, додатковим масивом різноманіт-

них мікродомішок, змінами мікрофлуктацій показника заломлення та дисперсії,

сильним термозагартуванням та ін. Таким чином, при формуванні ВС відбува-

ється зміна мікроструктури вихідних матеріалів.

Велика гама змін мікроструктурного масиву процесу перетворення об’єм-

них матеріалів в ВС потребує застосування різноманітних методів їх виявлення

і дослідження з метою розпрацювань шляхів їх усунення і мінімізації техноло-

гічного збільшення світлопослаблення ВС. Для виявлення грубих джерел тех-

нологічного збільшення згасання ВС застосовують традиційні методи. Для тон-

кого дослідження і контролю ВС − об’єктів мікронних поперечних розмірів і

багатометрових довжин – особливо високоефективні різноманітні мікрострук-

турочуттєві методи: Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

40

− методи молекулярної та атомної спектроскопії виявляють найбільш ви-

сокочастотні коливання в матеріалах ВС, що залежать від електронних перехо-

дів всередині атома і від характеру хімічних зв’язків між сусідніми атомами;

− зміни в самих хімічних зв’язках після перетворення масивно-об’ємних

матеріалів в ВС проявляються в спектрах електронного парамагнітного резона-

нсу, в оптичних спектрах іонів-фарбників, в спектрах комбінаційного розсію-

вання світла; високою інформативністю відрізняється метод електронної мікро-

скопії;

− дослідження в’язкої течії при перетягуванні стекол в ВС, спектрів посла-

блення акустичних коливань в скляній нитці – струні, теплоємності і інших па-

раметрів дають уявлення про кооперації структурних одиниць в склоутворюю-

чому каркасі ВС;

− особливо ефективні нові високочутливі методи на основі нелінійних

процесів в ВС. Всі ці методи в сукупності дозволили встановити, що ВС навіть

із ізотропних високогомогенних неорганічних стекол відрізняються порсторо-

во-матеріальною анізотропністю і не мають полімерної мікроструктури.

Звичайно, є багато можливих комбінацій складу скла. Групи, згадані вище,

формуються звичайним методом розплаву порошкоподібних окисів.

Як було зазначено в розділі 1 основним параметром скла при взаємодії з

світловими електромагнітними хвилями є показник заломлення, який в загаль-

ному випадку є функцією довжини хвилі.

Розглянемо цю функціональну залежність для стекол, що найбільше вико-

ристовуються при виробництві ВС.

Виходячи з залежностей показника заломлення від частоти електромагніт-

них хвиль поданих у [2] показник заломлення можна записати таким чином:

2

2

2 21

k k

akn

l, (3.1)

де lк – довжина хвилі резонансної взаємодії з речовиною; ак – коефіцієнт про-

порційності.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

41

Цю формулу називають дисперсійною формулою Селлмейра.

Переважна відповідність теорії експериментальним даним зазвичай спо-

стерігається при врахуванні трьох членів дисперсійної формули, два з яких від-

повідають електронним резонансам в ультрафіолетовій частині спектру, а один

виникає в наслідок атомного резонансу в інфрачервоній частині спектру. Таким

чином знайти показник заломлення можна за формулою:

2

2 21

k k

akn

l, (3.2)

де к=3.

Коефіцієнти, що характеризують різні види стекол, наведено в додатку Б

[1].

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

42

4 КОМПЕНСАТОРИ ДИСПЕРСІЇ НА ВОЛОКОННИХ СВІТЛОВОДАХ З

ВІД’ЄМНОЮ ДИСПЕРСІЄЮ

Метод компенсації дисперсії за допомогою ВС з від’ємним значенням ди-

сперсії розроблено як найпростіший в реалізації метод. Цей метод дозволяє

скомпенсувати накопичену дисперсію в стандартному ВС (рекомендація

G.652). Це потрібно для модернізації з низькими витратами вже працюючих

ділянок мережі зв’язку, які побудовані на основі стандартного ОВ. Модерніза-

ція проводиться з метою застосування високошвидкісних систем передачі

(швидкість більше 10 Гбіт/с), або впровадження на мережі систем WDM.

Більшість сучасних систем, розрахованих на дальні відстані передачі, пра-

цюють у вікні прозорості 1550 нм. Це вікно прозорості відрізняється наймен-

шими енергетичними втратами при розповсюдженні оптичних сигналів по ВС.

Але стандартний ВС має в цьому вікні прозорості високу дисперсію для засто-

сування сучасних високошвидкісних систем, що вимагає її компенсації. Тому, в

основному, ВС з від’ємною дисперсією розробляються оптимізованами для

цього вікна прозорості.

Наведемо графік залежності довжини регенераційної ділянки від швидкос-

ті передачі оптичного сигналу по стандартному ВС у вікні прозорості 1550 нм.

Погонну дисперсію стандартного ВС на робочій довжині хвилі 1550 нм візьме-

мо 17 пс/км (s =1 нм). Розрахункові формули 2.11, 2.12. Результати розрахунку

наведено в табл. 4.1 та на рис.4.1.

Таблиця 4.1 Залежність довжини регенераційної ділянки за часовими па-

раметрами від швидкості передачі оптичного сигналу

В, Гбіт/с 0,15 0,6 1,2 1,9 2,5 9,9

Lрд, км 98 24,5 12,3 7,7 5,9 1,5

За отриманими результатами можна побачити, що лінії передачі збудо-

вані на стандартному ОВ стає недоцільно використовувати вже при швидко-

стях передачі, що перевищують 1 Гбіт/с внаслідок сильного зменшення дов-

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

43

жини регенераційних ділянок за часовими характеристиками. Сучасна ситуа-

ція така, що доля таких ліній складає 80% від всіх ліній в світі. Тому, це та-

кож вимагає застосування методів компенсації дисперсії, що дозволить без

будь-яких великих витрат пристосувати ці лінії до роботи на великих швид-

костях передачі.

Рисунок 4.1 — Графік залежності довжини регенераційної ділянки від швидко-

сті передачі оптичного сигналу

Метод компенсації дисперсії за допомогою ВС з від’ємною дисперсією

полягає у тому, що накопичену дисперсію в ВС на ділянці траси компенсують

дисперсією протилежного знака, що створює спеціальне ВС для компенсації

дисперсії (ВКД). Таким чином результуюча дисперсія на ділянці траси буде не

перевищувати потрібне нам значення.

4.1 Принципи модернізації оптичного тракту ВОСП з використанням

компенсаторів дисперсії на ВКД.

Наведемо принципи розрахунку довжини ВКД при заданій довжині ВС,

характеристика якого корегується.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

44

Розрахунок можна зробити за таким принципом: визначення вікна

прозорості в якому проводиться корекція, вибір ВКД, визначення довжини

хвилі при якій нам потрібно щоб дисперсія дорівнювала нулю (0), визначення

дисперсійних характеристик розглядаємих ВС та їх дисперсії на зазначеній

довжині хвилі. Після того, як ми визначили ці значення, ми можемо знайти

коефіцієнт компенсації за виразом:

ВКД

m , (4.1)

де ’ВКД, ’ – погонні дисперсії відповідно ВКД та ВС, характеристики якого

коректують на довжині хвилі 0.

Звідси можна побачити, що потрібну довжину ВКД можна визначити з

таких співвідношень (перше з них, умова повної компенсації дисперсії на

довжині хвилі 0):

ВКД ВКД ВКДВКД

LL L L L

m, (4.2)

де LВКД, L’ – довжини відповідно ВКД та ВС, характеристики якого корегують.

Компенсація дисперсії робиться для того, щоб отримати можливість вико-

ристати на мережі зв’язку сучасні надшвидкісні системи передачі. Передаточні

параметри скомпенсованої ділянки повинні відповідати вимогам, що висува-

ються системами передачі.

Зазначимо, що ці системи можуть працювати на спеціальних ВС типів DSF і

NZDSF. Дисперсійні арактеристики ВС описуються відповідно рекомендаціями

G.652 зображено на рис. 4.2.

Волоконні світловоди типу DSF оптимізовані для використання систем без

спектрального ущільнення (TDM, OTDM). За робочу довжину хвилі ВС обира-

ють 1550 нм, де дисперсія у ВС повинна приймати нульове значення. Волокон-

ні світловоди типу NZDSF навпаки оптимізовані для роботи з системами, що

підтримують спектральне ущільнення каналів (WDM, DWDM).

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

45

Рисунок 4.2 — Дисперсійні характеристики стандартного ОМ ВС

Для зменшення впливів нелінійних спотворень між спектральними кана-

лами, довжина хвилі нульової дисперсії винесена за смугу пропускання в який

працюють дані системи. Важливе значення відіграє також нахил дисперсійної

характеристики, що повинен бути як можна менше для зменшення спотворень.

Коефіцієнт компенсації повинен бути як можна більше, що дозволить, при

встановленні пристрою компенсації, зменшити вносиме загасання в лінійний

тракт.

Виходячи з наведеного розгляду, умови добору можна представити як:

- коефіцієнт компенсації повинен бути більший за десять одиниць;

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

46

- за рекомендацією G.652 розрахунок проводиться на довжині хвилі 1550

нм, яка повинна бути довжиною хвилі нульової дисперсії на визначеній ділянці.

Нахил дисперсійної залежності приймемо 0,170,05 пс/(нм2∙км);

4.2 Представлення результатів розрахунків

Пошук оптичних ВС, що спроможні компенсувати дисперсію, будемо про-

водити за відповідним методом розрахунку приклад якого приведеній в

додатку В.

В процесі пошуку проведемо наступні дослідження. При всіх, заданих ви-

ще умовах пошуку, будемо змінювати геометричні параметри ВС, які не були

обмежені. Це дасть можливість більш точно добирати ВКД з потрібними хара-

ктеристиками.

Далі буде представлено дисперсійні характеристики для ряду комбінацій

складу ВС, але для кожного випадку профіль показника заломлення — W-

подібний.

Для цього профілю було знайдено ВС при різних значення геометричних

розмірів та різних розрахункових довжинах хвиль з нульовою дисперсією.

Отримані данні для ВС, подані в табл.4.2. Букви, що знаходяться поряд з реко-

мендаціями по застосуванню визначають графіки дисперсійних характеристик,

що подані на рис.4.3 (для TDM) та рис.4.4 (для (D)WDM).

Таблиця 4.2 Основні параметри на ВКД*

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

47

Склад скла у

ВС (серцеви-

на/ оболон-

ка)

Коефіцієнт

компенса-

ції

Дисперсія

знайдено-

го ВС,

пс/нм/км

Нахил дис-

персійної

залежнос-

ті,

пс/нм2/км

Нахил по-

гонної ди-

сперсійної

залежно-

сті після

компенса-

ції,

пс/нм2/км

Рекомендації

по застосу-

ванню, гра-

фичні хара-

ктеристики

SiO2/13,3%

B2O3:86,7%

SiO2

14,91,55

201,525

12,61,565

-2531,55 2,2

0,191,55

0,161,525

0,221,565

TDM** (а)

(D)WDM***

(a)

13,5%GeO2:

86,5%SiO2/

9,1%GeO2:

7,7%B2O3:

83,2% SiO2

15,21,55

12,61,525

17,11,565

-2641,55 -2,7 -0,111,55

-0,151,525

-0,0951,565

TDM (б)

(D)WDM (б)

13,5%GeO2:

86,5%SiO2/

9,1%P2O5:

90,9%SiO2

12,31,55

11,61,525

17,61,565

-2151,55 -2,5 -0,141,55

-0,151,525

-0,0811,565

TDM (в)

(D)WDM (в)

7,0%GeO2:

93%SiO2/100

% SiO2

91,525

10,21,65

-0,111,525

-0,0861,65

(D)WDM (г)

7,0%GeO2:

93%SiO2/

0,1%GeO2:

5,4%B2O3:

84,4%SiO2

16,11,55

131,525

18,81,565

-2811,55 -3,4 -0,141,55

-0,191,525

-0,111,565

TDM (г)

(D)WDM (д)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

48

Склад скла у

ВС (серцеви-

на/ оболон-

ка)

Коефіцієнт

компенса-

ції

Дисперсія

знайдено-

го ВС,

пс/нм/км

Нахил дис-

персійної

залежнос-

ті,

пс/нм2/км

Нахил по-

гонної ди-

сперсійної

залежно-

сті після

компенса-

ції,

пс/нм2/км

Рекомендації

по застосу-

ванню, гра-

фичні хара-

ктеристики

7,0%GeO2:

93%SiO2/3,0

%B2O3:97%

SiO2

91,55 -1801,55 -0,87 -0,0381,55 TDM (д)

7,0?GeO2:93

%SiO2/3,3%

GeO2:

9,2%B2O3:

87,5 SiO2

101,55

10,71,525

11,91,65

-1701,55 -1,5 -0,0831,55

-0,0721,525

-0,0581,65

TDM (е)

(D)WDM (е)

* - верхній індекс – розрахункова довжина хвилі при якій дисперсія прямує

до нуля.

** - системи без спектрального ущільнення.

*** - системи з спектральним ущільненням.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

49

а)

б)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

50

в)

г) Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

51

д)

е)

Рисунок 4.3 — Дисперсійні характеристики ВКД для систем без спектрального

ущільнення

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

52

а)

б)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

53

в)

г)

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

54

д)

е)

Рисунок 4.4 —Дисперсійні характеристики ВКД для систем з спектральним

ущільнення

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

55

Всі представлені результати виконані у програмі Mathcad15. Вісь ординат

у всих випадках має розмірність пс/(нм∙км), а вісь абсцис – мкм.

Як можна побачити, більшість дисперсійних характеристик піддається ап-

роксимації за виразом:

( )D D 0 , (4.3)

де D – дисперсійний коефіцієнт; D’ – нахил дисперсійної кривої; 0 – довжина

хвилі нульової дисперсії. Така апроксимація дає можливість, з прийнятною то-

чністю, знаходити дисперсійні характеристики ВС, що спрощує розрахунки па-

раметрів.

При аналізі отриманих результатів можна зробити такі висновки:

- точний добір потрібної дисперсійної характеристики ВКД можна здійсни-

ти за допомогою зміни радіусу серцевини ВС, при цьому при збільшенні

радіуса дисперсійна характеристика збільшує свої значення за модулем,

при зменшенні, навпаки, зменшує свої значення;

- для отримання потрібної дисперсійної характеристики, при використанні

систем зі спектральним ущільненням, крім радіусу серцевини можна змі-

нювати розрахункову довжину хвилі нульової дисперсії 0;

- для зменшення нахилу дисперсійної характеристики треба використову-

вати ВКД, нахил дисперсійних характеристик яких протилежний нахилу

дисперсійної характеристики ВС, параметри якого корегуються.

Як ми бачимо, користуючись методикою розрахунку та беручи до уваги

зроблені виводи по поведінці характеристик ВКД від зміни певних параметрів,

можна сконструювати широкий набір модулів компенсації дисперсії для

різного застосування в залежності від конкретних умов.

Таким чином ми розглянули основні принципи роботи та сфери

застосування компенсаторів дисперсії на ВС з від’ємною дисперсією.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

56

5 ВОЛОКОННІ БРЕГОВСЬКІ ҐРАТКИ В ЯКОСТІ КОМПЕНСАТОРІВ

ДИСПЕРСІЇ

Окрім компенсаторів дисперсії на ВС з від’ємною дисперсією перспектив-

ним також є впровадження нових пристроїв компенсації збудованих на воло-

конних бреггівських ґратках. Пристрої компактні, потенціально дешеві та пов-

ністю оптичні (містяться безпосередньо в волоконних світловодах). Добираючи

геометричні параметри бреггівських ґраток, можна отримати задану дисперсій-

ну характеристику приладу компенсації, що було складно зробити при викори-

станні компенсаторів на ВС з від’ємною дисперсією. Треба зауважити, що як

фундаментальний недолік, бреггівські ґратки мають сильну залежність від умов

зовнішнього середовища, що треба приймати до уваги при проектуванні при-

строїв, що їх містять. Розглянуті в цьому розділі результати були представлені

на науково-технічній конференції «Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та сис-

теми» в березні 2016-го року.

5.1 Принцип роботи

Волоконна бреггівська ґратка ‒ це оптичний елемент, у якому показник за-

ломлення періодично змінюється. Зазвичай довжина такого елемента складає

від одиниць міліметрів до декількох сантиметрів, у той час як період модуляції

показника заломлення може складати лише сотні нанометрів.

Рисунок 5.1 — Волоконна бреггівська решітка

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

57

Модулювання показника заломлення створюють безпосередньо у серцеви-

ні оптичного волокна завдяки її фоточутливості до сильного ультрафіолетового

(УФ) випромінювання. Матеріал серцевини поглинає УФ випромінювання,

яким діють на певні її ділянки, і збільшує свій показник заломлення у місцях дії

(рис. 1). Добре відомо [7], що кремнієвий ВС з домішками германію демонст-

рує чудову фоточутливість.

Оптимальним напрямком використання бреггівських решіток є уведення їх

як компенсаторів дисперсії у сучасні мережі оптоволоконних каналів передачі

інформації. Ці пристрої компактні, потенційно дешеві та повністю оптичні (мі-

стяться безпосередньо у волоконних світловодах). Підбором геометричних па-

раметрів бреггівських решіток можна отримати задану дисперсійну характери-

стику приладу компенсації, що було складно зробити за використання компен-

саторів на ВС з від’ємною дисперсією. Нажаль, параметри бреггівських реші-

ток мають сильну залежність від впливу зовнішнього середовища, що треба

приймати до уваги під час проектуванні волоконно-оптичних ліній зв’язку.

У ВС існує частотна залежність групових швидкостей мод. Ця залежність

має нелінійний характер, що в межах однієї моди змінює форму і тривалість

сигналу. Таку дисперсію називають хроматичною [7].

Принцип дії волоконної решітки, як компенсатора дисперсії, полягає у на-

ступному. Дискретну волоконну решітку (ДВР) можна вважати послідовністю

окремих волоконних бреггівських решіток з різними періодами, і певну довжи-

ну хвилі повинна відбивати відповідна ділянка решітки. У решітці з лінійною

зміною періоду фактично відбувається те саме, лише її період змінюється без-

перервно а не дискретно. Таким чином, різні спектральні складові вхідного ім-

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

58

пульсу проходять різні оптичні шляхи, і виникає штучно створена дисперсія,

яка може компенсувати хроматичну дисперсію ВС.

Дисперсію, отриману в решітці у імпульсі з певним спектральним складом,

можна визначити відношенням максимальної затримки розповсюдження до

ширини смуги решітки [8]:

τ пс

,Δλ нмΛ Λ

eff

g

eff begin end

nL

cDn

, (5.1)

де τ 2g

L

V ;

Δλ 2 Λ Λeff begin endn ;

L — довжина решітки;

gV — групова швидкість імпульсу у решітці;

effn — ефективний показник заломлення;

Λbegin , Λend — максимальний і мінімальний період брегівської решітки.

ДВР можуть бути ефективні для компенсації дисперсії ВС з довжиною

хвилі нульової дисперсії 1300 нм для їх використання у сучасних системах пе-

редачі інформації з довжиною хвилі 1550 нм [9]. Довжину ВС, дисперсію D

якого компенсує прилад, можна розрахувати за виразом (2):

2Δλ

gfibre

g

D LL

D V D. (5.2)

Розрахунками з використанням (1, 2) виявлено, що десятисантиметрова

решітка може компенсувати дисперсію 100 км стандартного одномодового ВС,

що дорівнює 1700 пс/нм для 0,6 нм ширини смуги. Один із найбільш багатообі-

цяючих методів компенсації дисперсії полягає у виготовленні решіток зі змін-

нім періодом і суперпозицією спектральних відповідей у гранях для одержання

безперервних характеристик. Для таких більш складних структур проведені ро-

зрахунки з використанням теорії зв’язаних мод [10], в рамках якої допускається

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

59

зв’язок основної моди, яка поширюється в прямому і зворотному напрямі, на

резонансній брегівській довжині хвилі. Так, для ДВР із 30 елементів із змінним

періодом при коефіцієнті відбивання не нижче 0,95 в діапазоні компенсації

1308 – 1310 нм одержана довжина ДВР дорівнювала 2,3 мм для компенсації ди-

сперсії 10 пс/нм.[11]

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

60

6 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ

Темою дипломної роботи є дослідження методів компенсації дисперсії у

волоконних світловодах та побудова дисперсійних характеристик стандартного

волокна, рекомендації G.652 і ВС з від’ємною дисперсією. В даному розділі

дипломної роботи необхідно приділити основну увагу аналізу та оцінці небез-

печних та шкідливих виробничих факторів, які мають місце при використанні-

персональної електронно-обчислювальної машини(ПЕОМ) в ході виконання

теоретичних досліджень і зробити це з урахуванням вимог ДсанПіН 3.3.2.007-

98 та НПАОП 0.00-1.28-10 “Правила охорони праці під час експлуатації ЕОМ”.

Також необхідно розглянути питання електробезпеки та пожежної безпеки в

робочому приміщенні, де виконувалася ця робота.

6.1 Визначення небезпечних та шкідливих виробничих чинників

6.1.1 Електробезпека в робочому приміщенні.

Приміщення лабораторії за ступеню небезпеки поразки людей електрич-

ним струмом згідно ПУЕ (НПАОП 40.1-1.21-98) можна віднести, до приміщень

без підвищеної небезпеки, тому що:

• відносна вологість повітря не перевищує 75%;

• матеріал підлоги (паркет) є діелектриком;

• температура повітря не досягає значень, вище 35 °С;

• немає можливості одночасного дотику людини до металоконструкцій

будівлі, технологічного обладнання та механізмів, які мають з’єднання із

землею - з одного боку, і до металевих корпусів електроустаткування - з іншого

боку.

Усе наявне в лабораторії устаткування можна віднести до І таII класу по

електрозахисту (ГОСТ 12.2.007.0-75), при цьому монітори ПЕОМ (ІІ кл.) мають

подвійну робочу ізоляцію. Мережа трифазна з глухозаземленою нейтраллю, із

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

61

зануленням і повторним заземленням нульового проводу відповідно до вимог

ПУЕ. Виконані всі заходи щодо електробезпеки відповідно до ГОСТ 12.3.019-

80, НПАОП 40.1-1.21-98 таНПАОП 40.1-1.32-01.

Під час експлуатації електрообладнання людина може випадково доторкну-

тися до провідників, що знаходяться під напругою. Оцінка небезпеки дотику до

струмопровідних частин електрообладнання зводиться до визначення сили

струму, який протікає через тіло людини, і порівняння його з допустимим зна-

ченням у відповідності до ГОСТ 12.1.038 – 82. В загальному випадку величина

струму, що проходить крізь тіло людини, залежить від типу електрообладнання,

роду і величини напруги живлення, стану людини, метеорологічних умов і т.ін.

В неаварійному режимі гранично допустимі рівні напруг і струмів доторкання

наведені в табл.6.1.

Таблиця 6.1.Норми напруги дотику і струмів при неаварійному режимі

роботи мережі

Вид і частота

струму

Граничні рівні, не більше

U, В I, мА

Змінний 50 Гц 2.0 0.3

Постійний 8.0 1.0

Допустимі рівні напруги дотику при аварійному режимі електроустатку-

вання напругою до 1000 В з будь-яким режимом нейтралі наведені в табл. 2.

Під час проведення дослідницьких робіт використовується різноманітне

обладнання, яке живиться від мережі з напругою 220 В. Як уже було сказано

вище, усе наявне в приміщенні обладнання, крім ВДТ ЕОМ, відноситься до I

класу по способу захисту людини від ураження електричним струмом, бо має

робочу ізоляцію, виконану у відповідності до ГОСТ 12.1.009 – 76 та підключа-

ється до мережі живлення за допомогою триконтактних вилок, один з контактів

якої з'єднаний із заземлюючим виводом розетки.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

62

Таблиця 6.2 Допустимі рівні напруги доторкання при аварійному режимі

електроустаткування напругою до 1000 В з будь-яким режимом нейтралі

Вид і

частота

струму

Тривалість дії, с

0.01

0.08

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 >1

Змінний

50 Гц 650 500 250 165 125 100 85 70 65 55 50

36В

6мА

В лабораторії використовується пристрій максимального струмового захис-

ту. Зробимо розрахунок вимикаючої здатності максимального струмового захи-

сту для трифазної електромережі з глухозаземленою нейтраллю і зануленням.

Необхідна умова функціонування максимального струмового захисту:

струм однофазного короткого замикання повинен в 1.4 рази перевищувати но-

мінальний струм спрацювання автомату струмового захисту (для струмів корот-

кого замикання, що не перевищують 100 А):

1.4кз номI І , (6.1)

де Іном = 6 А – номінальний струм спрацювання автомату струмового захисту; Ікз

– струм короткого замикання, який можна розрахувати за формулою:

0

фкз

ф

UI

R R, (6.2)

де Uф = 220 В – фазова напруга мережі; R0 і Rф – опори нульового і фазового

провідників відповідно. Значення Rф визначаємо, вважаючи, що довжина дротів

не перевищує 100 м, а значення R0 вважаємо рівним Rф.

0 1.64( )фR R Ом , (6.3)

220

67.07( )1.64 1.64

кзI А . (6.4)

Оскільки струм короткого замикання більш ніж в 1,4 рази перевищує но-

мінальний струм спрацювання автомату струмового захисту, то пристрій мак-

симального струмового захисту буде працювати надійно.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

63

Відповідно до вимог ГОСТ 12.1.038-82:

. . 0 110дот к зU I R В , (6.5)

400допU В . (6.6)

Таким чином, U Uдот доп

при часі спрацювання автоматуструмового захи-

сту tспр < 0,4 сек

Підключення обладнання виконане у відповідності з ДНАОП 0.00-1.21-98

та ПУЕ – 87, тому впроваджувати додаткові заходи по забезпеченню електро-

безпеки в робочому приміщені не потрібно.

6.2 Робота з візуальними дисплейними терміналамиПЕОМ

Основний нормативний документ, що регламентує роботу з ПЕОМ – це

ДСанПіН 3.3.2.007-98 “Державні санітарні правила і норми роботи з візуальни-

ми дисплейними терміналами електронно обчислювальних машин”.

ВДТ пристрій для візуального відтворення інформації, збереженої елек-

тронним способом. Він складається з дисплейного екрана, системного блоку

обробки виведеної інформації і клавіатури.

Класифікація ВДТ, стосовно до проблеми їхнього впливу на здоров'я, за-

снована головним чином на конструктивних особливостях і визначених пара-

метрах

самого дисплея (наприклад, можливість одержання багатобарвного, пози-

тивного, негативного зображення).

• відблиски на екрані монітора.

Випромінювання НВЧ діапазону, ультрафіолетове, НРВ іонізують повітря,

змінюють його хімічний склад (у робочій зоні утворюється 3O , NO, ON2 , OH3

та ін.). Робота ЕОМ супроводжується виділенням надлишкового тепла, що при-

водить до порушення параметрів мікроклімату в робочій зоні.

Крім того, праця працівників обчислювальних центрів (ОЦ) і

користувачів персональних комп'ютерів супроводжується активізацією уваги й

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

64

інших вищих психічних функцій, порушується режим праці і відпочинку і

робота може проводитись при недостатній освітленості.

6.2.1 Електромагнітні випромінювання радіочастотного діапазону

Припустимі норми для напруженості електричного поля на відстані 1 м від

екрану зазначені в ГОСТ 12.1.006-84 і приведені в таблиці 3.

Таблиця 6.3. Гранично припустимі інтенсивності ЕМВ (цілодобове безу-

пинне випромінювання)

Частота

Гранично припустима

напруженість електри-

чного поля,В/м

щільність потоку енергії,Вт/м2

0,06-3 МГц 500 20000

3-30 МГц 300 7000

30-300 МГц 80 800

6.2.2 Виробничий шум

Дослідженнями встановлено, що джерелами шуму є вентилятори, діапа-

зон частот яких знаходиться у межах 63 Гц - 40 Кгц, а також принтер. Необхід-

ні заходи для зниження рівня шуму будуть описані в спеціальному розділі.

Рівні звуку в приміщеннях ОЦ, де працюють математики-програмісти й оператори

ВДТ згідно ДСанПІН 3.3.2.007-98 та ДСН 3.3.6.037-99, не повинні перевищувати 50 дБА. У

приміщеннях, де працюють інженерно-технічні працівники, що здійснюють лабораторний,

аналітичний і вимірювальний контроль, - 60 дБА; у приміщеннях операторів ЕОМ (без

дисплеїв) - 65 дБА; на робочих місцях у приміщеннях для розміщення гучних агрегатів

обчислювальних машин - 75 дБА. Згідно з паспортними даними, витяжні вентилятори мають

максимальний рівень звукового тиску 45 дА, для принтера це значення складає 42дБА.

Тобто, сумарний рівень шуму в робочому приміщені не перевищує встановлених норм. Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

65

6.2.3 Додаткові заходи щодо поліпшення умов праці

За рекомендацією ДСанПіН 3.3.2.007-98 (Додаток 7), для запобігання про-

длем з очима, оператору потрібно виконувати наступні вправи:

Вправи виконують, відвернувшись від екрана.

Варіант 1

1. Вихідне положення (В. п.) - сидячи, руки на колінах. Закрити очі, сильно

напруживши очні м'язи, на рахунок "раз - шість", потім відкрити очі, подиви-

тись вгору на рахунок "сім - вісім", подивитись вниз на рахунок "дев'ять - де-

сять". Повторити 5 разів.

2. В. п. те саме. Робити колові рухи очима, фіксуючи погляд в таких поло-

женнях: додолу-вліво-вгору-вправо-додолу. Повторити 5 разів. Потім те саме 5

разів у зворотному напрямі.

3. В. п. те саме. Закрити очі на рахунок "раз - два", відкрити очі і подиви-

тися на кінчик носа на рахунок "три - чотири". Повторити 5 разів.

Варіант 2

1. В. п. - сидячи. Швидко моргати очима протягом 15 с.

2. В. п. - сидячи завдальшки 30 - 35 см од вікна обличчям до нього. Диви-

тися на позначку на шибці протягом 5 с, потім перевести погляд на більш від-

далений об'єкт за вікном і дивитися ще протягом 5 с. Повторити 10 разів.

3. В. п. - сидячи. Швидко перевести погляд по діагоналі: праворуч вгору -

ліворуч униз. Потім дивитися прямо у далеч протягом 6 с. Швидко перевести

погляд по діагоналі: ліворуч вгору - праворуч униз. Потім дивитися прямо у

далеч протягом 6 с. Повторити 4 - 5 разів.

Варіант 3

1. В. п. - сидячи. Швидко моргати очима, напруживши очні м'язи, протя-

гом 15 с.

2. В. п. - сидячи, очі закриті. Не відкриваючи очей, начебто подивитися лі-

воруч на рахунок "раз - чотири", повернутися у В. п. Так само подивитися пра-

воруч на рахунок "п'ять - вісім", повернутися у В. п. Повторити 5 разів.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

66

3. В. п. те саме. Не відкриваючи очей, начебто подивитися ліворуч на ра-

хунок "раз - три", потім - праворуч на рахунок "чотири - шість". Повернутися у

В. п. Повторити 5 - 6 разів. Так само подивитися в гору на рахунок "один - три",

потім - додолу на рахунок "чотири - шість". Повернутися у В. п. Повторити 5 -

6 разів.

4. Спокійно посидіти із закритими очима, розслабившися, протягом 12 с.

Комплекс вправ для поліпшення мозкового кровообігу

Нахили і повороти голови справляють механічну дію на стінки шийних

кровоносних судин, підвищуючи їх еластичність. Тренування вестебулярного

апарату сприяє розширенню кровоносних судин головного мозку, а дихальні

вправи, особливо дихання через ніс, збільшують їх кровонаповнення. Все це

підсилює мозковий кровообіг, тим самим полегшуючи розумову діяльність.

Варіант 1

1. В. п. - основна стійка (о. с.). На рахунок "раз" - руки за голову, лікті роз-

вести, голову нахилити назад. На рахунок "два" - лікті вперед. На рахунок "три

- чотири" - руки розслаблено опустити вниз, голову нахилити вперед. Повтори-

ти 4 - 6 разів у повільному темпі.

2. В. п. - стійка "ноги порізнь", пальці стиснуті в кулаки. На рахунок "раз" -

різкий мах лівою рукою назад, правою - вгору назад. На рахунок "два" - різко

змінити положення рук. Повторити 6 - 8 разів у середньому темпі.

3. В. п. - сидячи на стільці. На рахунок "раз - два" - плавно відвести голову

назад, на рахунок "три - чотири" - голову нахилити вперед, плечі не піднімати.

Повторити 4 - 6 разів у повільному темпі.

Варіант 2

1. В. п. - стоячи або сидячи, руки на поясі. На рахунок "раз - два" коловим

рухом відвести праву руку назад з поворотом тулуба і голови праворуч, на ра-

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

67

хунок "три - чотири" - те саме ліворуч. Повторити 4 - 6 разів у повільному тем-

пі.

2. В. п. - стоячи або сидячи, руки в сторони, долоні вперед, пальці розведе-

ні. На рахунок "раз" обхопити себе за плечі руками якомога міцніше і далі, на

рахунок "два" повернутися у В. п. Повторити 4 - 6 разів у швидкому темпі.

3. В. п. - сидячи на стільці, руки на поясі. На рахунок "раз" повернути го-

лову праворуч, на рахунок "два" - В. п. Те саме - ліворуч. Повторити 6 - 8 разів

у повільному темпі.

Варіант 3

1. В. п. - стоячи або сидячи, руки на поясі. На рахунок "раз" ліву руку ма-

хом занести на праве плече, голову повернути ліворуч. На рахунок "два" пове-

рнутися в В. п. На рахунок "три - чотири" - те саме правою рукою. Повторити 4

- 6 разів у повільному темпі.

2. В. п. - о. с. На рахунок "раз" оплеск долонями за спиною, руки підняти

позаду якомога вище. На рахунок "два" - руки через сторони перевести вперед

на рівень голови, оплеск. Повторити 4 - 6 разів у швидкому темпі.

3. В. п. - сидячи на стільці. На рахунок "раз" нахилити голову вправо, на

рахунок "два" - В. п. На рахунок "три" нахилити голову вліво, на рахунок "чо-

тири" - В. п. Повторити 4 - 6 разів у середньому темпі.

Варіант 4

1. В. п. - стоячи або сидячи, пальці рук стиснуті в кулаки, на рахунок "раз"

кулаки підвести до плечей, голову - назад. На рахунок "два" - лікті догори, го-

лову - вперед. Повторити 4 - 6 разів у середньому темпі.

2. В. п. - стоячи або сидячи, руки в сторони. Зробити 3 ривки руками: пра-

вою перед тулубом, лівою - за. Повернутися в В. п. Потім зробити 3 ривки ру-

ками в інший бік. Повторити 4 - 6 разів у швидкому темпі.

3. В. п. - сидячи. На рахунок "раз" голову нахилити вправо, на рахунок

"два" - В. п., "три" - голову нахилити вліво, "чотири" - В. п., "п'ять" - голову по-

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

68

вернути вправо, "шість" - В. п., "сім" - голову повернути вліво, "вісім" - В. п.

Повторити 4 - 6 разів у повільному темпі.

Також для усунення будь якого шкідливого впливу НРВ на організм інже-

нерів - програмістів можна рекомендувати скоротити час перебування за екра-

ном дисплея до 4 годин у зміну, причому після 2 годин безупинної роботи ре-

комендується 30-хвилинна перерва (бажано на відкритому повітрі).

З метою автоматичної підтримки параметрів мікроклімату в необхідних

межах у плині всіх сезонів року, очищення повітря від пилу і шкідливих

речовин, зниження рівня іонізації в приміщенні лабораторії робиться за

допомогою двох витяжних вентиляторів типу АИСИ 4 і щоденне вологе

вбирання.

Світильники необхідно розташовувати в два ряди і приєднані до різних

фаз електромережі для усунення мерехтінь світлового потоку (коефіцієнт

пульсацій менш 10%).

Для ослаблення шкідливого впливу електростатичних полів у лабораторії

доцільно застосовувати захисні скляні фільтри (екрани) з електропровідним

покриттям, що має відвід для заземлення, що прикріплюється на екран моніто-

ра.

Для зниження рівня шуму в лабораторії використовується

звукопоглинальне облицювання з перфорованим покриттям: гіпсові плити

товщиною 7-9 мм із наповненням з склотканини.

6.3 Пожежна безпека

У робочому приміщенні знаходяться меблі з ДВП, дверні і віконні пле-

тіння, полімерні корпуси дисплеїв, клавіатур і ін. матеріали, який можна ві-

днести до пальних матеріалів. За показниками вибухопожежної небезпеки

приміщення лабораторії, відповідно до НАПБ Б.03.002-2007 і можна від-

нести до категорії В. Відповідно до НПАОП 40.1-1.32-01 робочі зони лабо-

раторії можна віднести до класу П-ІІа по пожежонебезпеці.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

69

Оскільки приміщення лабораторії відноситься до категорії В згідно НАПБ

Б.03.002-2007, то на підставі вимог СНиП 2.01.02-85 будинок корпуса повинен

відповідати II ступеня вогнестійкості, що потребує від будівельних конструкцій

наступних мінімальних меж вогнестійкості:

• несучі стіни, стіни сходових кліток, колони — 2 години;

• сходові площадки, східці, балки і марші в сходових клітках - 1 година;

• зовнішні стіни з начіпних панелей - 0.25 години;

• внутрішні стіни, що не несуть навантаження, (перегородки) - 0.25 годи-

ни;

• плити, настили й інші несучі конструкції межповерхових і горищних пе-

рекриттів - 0.75 години;

• плити, настили й інші несучі конструкції покрить 0.25 години.

Приміщення лабораторії відповідає вимогам СНиП 2.01.02-85, тому

що несучі стіни виконані зі звичайної цегли (товщина стіни 38 см, що забез-

печує межу вогнестійкості 11 годин), східці, балки і марші в сходових кліт-

ках виготовлені з залізобетону (межа вогнестійкості - не менш 3 годин),

внутрішні стіни, що не несуть навантаження, зроблені з азбестоцементних

плит із внутрішнім сталевим каркасом (межа вогнестійкості -0.25 години),

несучі конструкції межповерхових і горищних перекриттів сталеві (межа

вогнестійкості - 1.5 години), двері з дерев'яними полотнищами, які обшиті

по азбестовому картону покрівельною сталлю товщиною 5 мм (товщина

дверей 5 см, межа вогнестійкості - 1.5 години). Відповідно до СНиП2.09.02-

85 максимально припустима відстань від найбільш віддаленого робочого

місця до найближчого евакуаційного виходу повинна бути не більш 75 м.

Лабораторія задовольняє цим вимогам, тому що відстань від найбільш від-

даленого робочого місця складає 20 м.

Спеціальних протипожежних перешкод у будинку корпусу немає. Однак,

якщо взяти до уваги, що несучі стіни мають межу вогнестійкості 2.5 години, то

можна вважати їх протипожежними, причому несучі стіни утворять прямокутні

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

70

приміщення, площа яких не перевищує 300 м2, що задовольняє вимогам СНиП

2.01.02-85, що передбачають найбільшу припустиму площу поверху між про-

типожежними стінами - 4000 м2.

Згідно з вимогами ДБН В2.5-13-98 приміщення лабораторії обладнане

чотирма пожежними сповіщувачами типу ДИП-1. Така кількість сповіщувачів

відповідає нормам розміщення, тому що площа, що захищається сповіщувачем

ДИП-1 складає 15 м2, чотири сповіщателя сповіщає на площі в 60 м2, а площа

приміщення лабораторії складає 54 м2.

У приміщенні лабораторії розташовані:

• вогнегасник ВВБ-3 - 1шт.;

• вогнегасник ВП-1 «Момент» - 1шт.

Кількість, розташування та умови зберігання первинних засобів пожеже-

гасіння та вогнегасників відповідають усім вимогам ГОСТ 12.4.009-75 і

ISO3941-77. Вибір вогнегасної речовини ґрунтується на тому, що пожежа, що

може виникнути в приміщенні лабораторії, відноситься до класу Е, тому що

палаючими об'єктами виявляться електроустановки, що знаходяться під напру-

гою. Для гасіння пожеж цього класу застосовують вуглекіслотні та порошкові

вогнегасники. Вогнегасний склад на основі бромистого етилу 70% та вуглекис-

лоти 30% застосовується у вогнегасниках ВВБ-3. У вогнегасниках ВП-1 «Мо-

мент» використовуються порошкові склади, до яких входять кальцинована со-

да, стеаріт алюмінію, стеаріт магнію, стеаринова кислота, графіт і інші.

У робочому приміщенні виконуються усі вимоги щодо пожежної безпеки

у відповідності до НАПБ.А . 01 001-14 “Правил пожежної безпеки в Україні”.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

71

ВИСНОВКИ

1. За результатами аналітичного огляду встановлено, що методика

розрахунку хроматичної дисперсії підходить як для стандартного ОМ

ВС (рекомендація G.652), так і для типів волокна, склад, та профіль

показника заломлення яких не регламентується.

2. Особливістю приведеної методики розрахунку є можливість

прогнозувати хроматичну дисперсію лише за наявністю фізичних

характеристик ВС, що є важливим при розгляді ОМ ВС.

3. Дослідивши різні профілі показника заломлення, було виявлено, що

найбільше значення коефіцієнта компенсації можна отримати при

використанні W-подібного профілю, результати для якого представлені

на рис. 4.3 та 4.4. На частоті передачі можна отримати від’ємну

дисперсію порядка 200-300 пс/(нм∙км), що дає можливість

скомпенсувати додатню дисперсію відносно коротким ВС. Найкращі

результати отримані при такій комбінації складу осердя та оболонки:

7.0%GeO2:93%SiO2/0.1%GeO2:5.4%B2O3:84.4SiO2. У цьому випадкку на

довжені хвилі 1,55 нм можна отримати від’ємну дисперсію

281 пс/(нм∙км), що дає коефіцієнт компенсації 16,1.

4. При дослідженні бреггівської ґратки, яка вбудована в систему передачі

через циркулятор, розрахунками було визначено, що

десятисантиметрова ґратка може компенсувати дисперсію 100 км

стандартного ОМ ВС, що дорівнює 1700 пс/нм.

Розглянуті в 5-му розділі результати були представлені на науково-

технічній конференції «Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та

системи» в березні 2016-го року.

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

72

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Каток. В. Б. Волоконно-оптичні кабелі зв'язку / В. Б. Каток, І. Е. Руден-

ко. — К. : Логос, 2013. — 333 с. — ISBN 978-966-171-692-5 : Б. ц.

2. Гауэр Дж. Оптические системы связи / Гауэр Дж. ; пер. с англ. под ред. А.

И. Ларкина. — М. : Радио и связь, 1989. — 500 с. — ISBN 5-256-00113-2.

3. Чео П.К. Волоконная оптика: Приборы и системы /П. К. Чео.— М.: Энер-

гоатомиздат 1988. — 280с. — ISBN 5-283-02440-7.

4. Ландсберг Г.С./ Оптика. — М.:изд.”Наука”,1976. — 926 с.

5. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов / М. Адамс — М.:

Мир, 1984 — 512 с.

6. ITU-T Recommendation G. 652. Characteristics of a single-mode optical fibre

cable.

7. Корнейчук В. И., Макаров Т. В., Панфилов И. П., Проживальский О. П.

Проектирование волоконно-оптических систем / Учеб. пособие. — Одесса:

ОНАС им. А.С. Попова, 2006. — 118 с.

8. Kashyap R. Fiber Bragg Gratings / R. Kashyap. — San Diego, CA: Academic

Press, 1999. — 478 p. — ISBN 0-12-400560-8.

9. Фокин В. Г. Оптические системы передачи и транспортные сети /

Фокин В. Г. — М.: Эко-Трендз, 2008. — 271 с. — ISBN 978-5-88405-084-6.

10. Унгер Х. — Г . Планарные и волоконные оптические волноводы: Пер. с

англ./ Унгер Х. — Г. — М.: Мир, 1980. — 656 с. — ISBN 5-03-002418-2.

11. Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та системи : зб. наук. пр. за матері-

алами міжнар. техн. конф., 19—26 берез. 2016 р.— К. : НТУУ «КПІ» : РТФ,

2016 — Текст: укр.,

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

73

ДОДАТОК А

ПОГОДЖЕНО

Науковий керівник

_____________ П.О.Демʻяненко

доцент

ЗАТВЕРДЖЕНО

Завідувач кафедри радіоконст-

руювання та виробництва радіо-

апаратури НТУУ «КПІ»

_______________Є. А. Нелін

д. т. н., професор

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

НА ДИПЛОМНУ РОБОТУ

ДОСЛІДЖЕННЯ КОМПЕНСАТОРІВ ДИСПЕРСІЇ ЗА ДОПОМОГОЮ

ВОЛОКОННИХ СВІТЛОВОДІВ З ВІД’ЄМНОЮ ДИСПЕРСІЄЮ

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

74

Київ 2016

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

75

1 Підстава для проведення роботи

Завдання на виконання бакалаврської дипломної роботи

Термін виконання: з 4.03.2016 р. по 4.05.2016 р.

2 Мета, призначення ДР та вихідні дані для проведення

Необхідність дослідження на предмет покращення характеристик для су-

часних оптичних мереж зв’язку.

3 Вихідні дані

При виконанні ДР використовуються:

результати попередніх досліджень, що викладені у науково-технічних звітах та

дипломних роботах,

матеріали статей за темою роботи;

Підручники та навчальні посібники наукові статті:

o Каток. В. Б. Волоконно-оптичні кабелі зв'язку / В. Б. Каток, І.

Е. Руденко. — К. : Логос, 2013. — 333 с. — ISBN 978-966-171-

692-5 : Б. ц.

o Гауэр Дж. Оптические системы связи / Гауэр Дж. ; пер. с англ.

под ред. А. И. Ларкина. — М. : Радио и связь, 1989. — 500 с. —

ISBN 5-256-00113-2.

o Чео П.К. Волоконная оптика: Приборы и системы/П. К. Чео.—

М.: Энергоатомиздат 1988. — 280с. — ISBN 5-283-02440-7.

4 Виконавці НДР

Студент Дяченко Радомир Анатолійович, 4-го курсу, гр. РІ-21

5 Вимоги до виконання дипломної роботи

В ході виконання дипломної роботи повинні бути розв’язані такі задачі:

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

76

1) Дослідити методику розрахунку дисперсійних характеристик

волоконних світловодів.

2) Провести розрахунки дисперсійних характеристик волоконних

світловодів для різних складів скла серцевини та оболонки.

3) Вибрати волоконні світловоди з від’ємною дисперсією, які можна

використати в якості компенсаторів дисперсії.

4) Всі розрахунки повинні бути виконані в середовищі Mathcad15.

6 Етапи виконання роботи

Назва етапів

Термін виконан-

ня

Форма звітно-

сті

Передача оптичних сигналів по воло-

конних світловодах

4.03.2016-

13.03.2016

ТЗ

Взаємодія світла з речовиною 22.03.2016-

30.03.2016

1-й розділ

Волоконні світловоди та їх принцип дії 30.03.2016-

4.04.2016

1-й розділ

Типи хвиль, що розповсюджуються в

оптичних волокнах

4.04.2016-

10.04.2016

1-й розділ

Волоконні світловоди 10.04.2016-

13.04.2016

1-й розділ

Дисперсія в волоконних світловодах 13.04.2016-

16.04.2016

1-й розділ

Дисперсія 16.04.2016-

22.04.2016

2-й розділ

Дисперсія в одномодовому ВС 22.04.2016-

27.04.2016

2-й розділ

Смуга пропускання

27.04.2016-

30.04.2016

2-й розділ

Довжина регенераційної ділянки за

часовими характеристиками

30.04.2016-

3.05.2016

2-й розділ

Матеріали для виготовлення ВС 3.05.2016-

8.05.2016

3-й розділ

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

77

Компенсатори дисперсії на ВС з

від’ємною дисперсією

8.05.2016-

12.05.2016

4-й розділ

Принципи модернізації оптичного

тракту ВОСП з використанням ком-

пенсаторів дисперсії

12.05.2016-

15.05.2016

4-й розділ

Параметри для добору ВС 15.05.2016-

18.05.2016

4-й розділ

Проведення пошуку та представлення

результатів

18.05.2016-

25.05.2016

4-й розділ

Бреггівські ґратки в якості компенса-

торів дисперсії

25.05.2016-

27.05.2016

5-й розділ

Охорона праці та безпека в надзви-

чайних ситуація

30.05.2016 6-й розділ

Оформлення дипломної роботи 30.05.2016-

3.06.216

ДР

Кінцевий результат: готова дипломна робота

7 Очікувані результати

Отримання залежностей дисперсії волоконно-оптичних ліній зв’язку від типу та

кількості домішок.

8 Матеріали, які подаються під час закінчення НДР та її етапів

До матеріалів, які подаються під час закінчення НДР відносяться:

1) Завдання

2) Технічне завдання

3) Пояснювальна записка

4) Презентація

Орієнтовний зміст роботи:

ВСТУП ..............................................................................................................

1. Передача оптичних сигналів по волоконних світловодах ...........................

2. Дисперсія в волоконних світловодах .............................................................

3. Матеріали для виготовлення волоконних світловодів.................................

4. Компенсатори дисперсії на волоконних світловодах з від’ємною

дисперсією ............................................................................................................

5.Брегівська решітка в якості компенсатора дисперсії ....................................

6.Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуація……………………….

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

78

9 Порядок приймання ДКР і матеріалів, які подають по закінченні

етапів ДР в цілому

Проміжні матеріали дипломного проекту у вигляді його розділів подаються

на перевірку керівникові. По закінченню виконання дипломний проект предста-

вляється та захищається перед Екзаменаційній комісії.

Виконавець: Керівник роботи:

Дяченко Р. А. __________ Дем’яненко П. О. __________

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

79

ДОДАТОК Б

Значення коефіцієнтів в розкладі Селлмейра, визначених за допомогою ви-

мірювання показника заломлення в скляних прес-формах.

Склад скла

(в молярних %)

а1 а2 а3 l1, мкм l2, мкм l3, мкм

100%SiO2

13,5%GeO2:86,5%SiO2

7,0%GeO2:93%SiO2

4.1%GeO2:95.9%SiO2

9.1%GeO2:7.7%B2O3:

83.2%SiO2

4.03%GeO2:9.7%B2O3:

86.27%SiO2

0.1%Geo2:5.4%B2O3:

94.5%SiO2

13.5%B2O3:86.5%SiO2

13.5%B2O3:86.5%SiO2

(загартований)

3.1%GeO2:96.9%SiO2

3.5%GeO2:96.5%SiO2

5.8%GeO2:94.2%SiO2

7.9%GeO2:92.1%SiO2

3.0%B2O3:97.0%SiO2

3.5%B2O3:96.5%SiO2

3.3%Geo2:9.2%B2O3:

87.5%SiO2

2.2%GeO2,3.3B2O3:

94.5%SiO2

SiO2 (c гасильними до-

мішками)

13.5%GeO2:86.5%SiO2

9.1%P2O5:90.9%SiO2

13.3%B2O3:86.7%SiO2

1.0%F:99.0%SiO2

16.9%Na2O:32.5%B2O3:

50.6%SiO2

0.6961663 0.4079426 0.8974794

0.73454395 0.42710828 0.82103399

0.68698290 0.44479505 0.79073512

0.68671749 0.43481505 0.89656582

0.72393884 0.41129541 0.79292034

0.70420420 0.41289413 0.95238253

0.69681388 0.40865177 0.89374039

0.70724622 0.39412616 0.63301929

0.67626834 0.42213113 0.58339770

0.7028554 0.4146307 0.8974540

0.7042038 0.4160032 0.9074049

0.7088876 0.4206803 0.8956551

0.7136824 0.4254807 0.8964226

0.6935408 0.4052977 0.9111432

0.6929642 0.4047468 0.9154064

0.6958807 0.4076588 0.9401093

0.6993390 0.4111269 0.9035275

0.696750 0.408218 0.890815

0.711040 0.451885 0.704048

0.695790 0.452497 0.712513

0.690618 0.401996 0.898817

0.691116 0.399166 0.890423

0.796468 0.497614 0.358924

0.0684043 0.1162414 9.896161

0.086976930 0.11195191 10.84654

0.078087582 0.11551840 10.436628

0.072675189 0.11514351 10.002398

0.085826532 0.10705260 9.3772959

0.067974973 0.12147738 9.6436219

0.070555513 0.11765660 9.8754801

0.080478054 0.10925792 7.8908063

0.076053015 0.11329618 7.8486094

0.0727723 0.1143085 9.896161

0.0514415 0.1291600 9.896156

0.0609053 0.1254514 9.896162

0.0617167 0.1270814 9.896161

0.0717021 0.1256396 9.896154

0.0604843 0.1239609 9.896152

0.0665654 0.1211422 9.896140

0.0617482 0.1242404 9.896158

0.069066 0.115662 9.900559

0.064270 0.129408 9.425478

0.061568 0.119921 8.656641

0.061900 0.123662 9.098960

0.068227 0.116460 9.993707

0.094359 0.093386 5.999652

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

80

ДОДАТОК В

Приклад розрахунку компенсації дасперсії.

1. Задаємо коефіцієнти Селлмейра a1, l1 та a2, l2 для чистого кварцового

скла та з кварцового скла з 3.1% домішкою окису германія відповідно:

2. За формулами (3.1-3.2) знайдемо залежності показників заломлення від

частоти:

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.81.43

1.432

1.435

1.438

1.44

1.442

1.445

1.447

1.45

1.452

1.455

1.458

1.46

1.462

1.465

1.468

1.47

1.472

1.475

1.478

1.48

n1 ( )

n2 ( )

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

81

3. За спрощеними формулами обрахуємо значення матеріальної T1 та хви-

леводної T2, та сумарної дисперсії D для стандартного ВС.

4. Задаємо коефіцієнти Селлмейра a1, l1 та a2, l2 для чистого кварцового

скла та для 13.3%B2O3:86.7%SiO2:

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

82

5. Визначаємо залежності показника заломлення від частоти:

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.81.434

1.435

1.437

1.438

1.439

1.44

1.442

1.443

1.444

1.446

1.447

1.448

1.45

1.451

1.452

1.454

1.455

1.456

1.457

1.459

1.46

n1 ( )

n2 ( )

6. Задамо функції від нормованої частоти b, dVb/dV та V(d2Vb/dV2) за до-

помогою апроксимувальних коефіцієнтів:

7. За формулами (2.4-2.6) обрахуємо матеріальну Т1, хвилеводну Т2 та

профільну Т3 для задоної комбінації матеріалів: Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016

83

8. Обрахуємо коефіцієнт компенсації m на частоті 1.55 мкм враховуючи,

що DВКД=T1+T2+T3.

9. Додамо від’ємну DВКД та додатню DSMF дисперсію з урахуванням коефі-

цієнта компенсації, отримавши їх суму DКД:

Дяченко Р

. А., КіВРА,

2016